📚 Электронная система сверхпроводника 📚

📚 Часть 0 - Пролог

Что там у нас в очереди? Ага, электроны в сверхпроводниках , ну значит электроны, 👌 👍
Но есть одно "но": разговор будет, сразу предупреждаем, длинным, и начать придется с самых азов. Те, кто может понять подобные вещи с лету - скорее всего, с темой близко знакомы, а остальным будем разъяснять, короче как научпоп только без "-поп" 😃

Электрон - это полностью квантовый объект, частица, которую мы можем как бы отождествить с ее волновой функцией. Чтобы находить волновую функцию, нужно решать уравнение Шредингера. Для этого надо сначала узнать, какие силы на нее действуют, например, в реальном трехмерном координатном пространстве, то есть узнать внешний потенциал, в котором эта частица "живёт". Для электрона это сделать достаточно просто, поскольку главное его свойство - это электрический заряд. То есть, чтобы описать поведение электрона в какой-то области пространства - ну хотя бы в кристаллическом твердом теле - нужно всего лишь понимать распределение зарядов, электрических и магнитных полей в этой области.

В совокупностью с ничтожной массой электрона по сравнению с массой любого атома, такое описание значительно упрощает нам задачу. Кристаллическое твердое тело - это жёсткая и тяжелая периодическая решетка из атомных ядер, которые почти и не двигаются по сравнению с. электронами в ней. Так вот, при решении уравнений оказывается, что у электрона есть два способа существования в решетке:
1. Электрон достаточно "ленив", и сидит возле своего атома, никуда не убегая, такой пятничный вайб на диванчике у телека, короче🥱
2. Электрон достаточно энергичен,
поэтому может направиться куда угодно, прямо как доставщики в мск на своих электродрандулетах, с тротуара под светофор наперерез и чудом не сбил, черт бы их побрал...🛵

Конечно, наиболее интересен второй случай. Атомы, составляющие кристалл, все примерно одинаковые - или одинаковы их "ячейки", например NaCl - поэтому, если уж электрон сбежал, как колобок, "от бабушки" - от своего атома или от ячейки, в которой он изначально жил - то ни один зверь, то есть соседний атом, его особенно задержать не может.

Математически, этот последний факт известен в физике твердого тела как теорема Блоха: электрон в периодическом потенциале ведёт себя почти как свободно летящая частица! Этот серьезный результат привел к развитию ключевых понятий физики твердого тела в ее современном облике.

Продолжение следует...

❄️❄️❄️

Что сказать вам в канун нового года?

Канал не задумывался как место где авторы делятся личным и фоточками, хотя такой формат ничем не плох, да и людям это нравится (и далее можно подставить разные правильные слова про личный бренд, вовлечённость и ответственность перед подписчиками, кому что ближе).

Отчасти это связано с предубеждением, что анонимность позволит сохранить полную свободу слова и непредвзятость, хотя сейчас понятно, что в этих вопросах важнее внутренние убеждения, а не внешние факторы.

Как можно увидеть по характеру последних публикаций, авторы не до конца разобрались, что им интереснее - условно, агитировать студентов и школьников в свою тематику, освещать новости и тренды квантовых технологий или же просто рассказывать основы своей области науки узкому кругу тех людей кто может быть в этом заинтересован ввиду профессиональных склонностей. С другой стороны, сверхпроводниковые технологии, к которым мы пока толком в наших публикациях и не приблизились, находятся в такой же неопределенности. Смогут ли они выйти в коммерцию и приносить выгоду, или же на много лет останутся ресурсоемкой и потребляющей кадры технологией, не предлагающей ничего кроме света в конце тоннеля (привет термоядерщикам) - мы видимо, узнаем не ранее следующего года, да и не одного года ☺️🙈.

🎆🎆🎆
В любом случае, мы поздравляем с новым годом всех вас, кто находит в этом канале что-то интересное для себя. Спасибо всем вам и до встречи в Новом 2026 году! Идите своим путем и все у вас получится!
🎉🎉🎉 🎄

Новогодние праздники - время веселое во всех отношениях, и часто людей тянет на разные подвиги 😅 Помимо подкисшего двухдневного оливье и замёрзших рук или ног после гуляний, бывают вещи гораздо более опасные.

В блоге одного известного токсиколога попалась жутчайшая история: человек на празднике выпил коктейль с жидким азотом (чего!?... не знал что до этого додумались) и ожидаемо получил разрыв желудка. Пишут, что в больнице быстро ушили и вроде как обошлось.

...Но знаете ли, думать надо с чем имеешь дело. Поэтому краткий гайд по очень холодным 🥶🥶🥶 веществам и опасностям, которые могут подстерегать при работе с ними.

1️⃣- 🧊 сухой лёд (твердый углекислый газ)

Свойства.🪙Очень холодный, -79°С или ниже. При более высокой температуре не плавится, а сублимируется (возгонка) - то есть, переходит в газ, минуя жидкую фазу, увеличиваясь в объеме при этом в 800 (!) раз.

Основные риски. Контакт с кожей легко вызывает холодовой ожог (не путать с обморожением, другая травма). Испаряется в воде быстро, но не мгновенно - большой риск удушения! Углекислый газ обычно в воздухе находится в очень малых концентрациях, а вот его вдыхание в высокой концентрации вызывает резкое головокружение вплоть до потери сознания. Кроме того, он заметно тяжелее воздуха, поэтому быстро скапливается вблизи пола. Цепочка событий "вдохнул - потерял сознание - упал - вдохнул ещё больше - все очень плохо" крайне вероятна при легкомысленном обращении.

Техника безопасности. Не хранить в герметичном сосуде, прям никогда - рванет! Не подносить к лицу, не трогать голыми руками, не бросать в таз с водой / бассейн в больших количествах. В идеале, работать с веществом только на открытом воздухе.

2️⃣🧪 Жидкий азот - в технической документации часто обозначен как LN2.

Свойства. Жидкость без цвета и запаха, кипит при -195 °C - то есть, в любых комнатных и уличных условиях, при этом увеличиваясь в объеме в 700 раз. Переносится в негерметично закрытых сосудах Дьюара, вне которых выкипает быстро. Однако, азот нетоксичен и в воздухе его полно, поэтому это не так опасно как в случае с сухим льдом.

Риски и техника безопасности. Контакт с кожей малого количества LN2 относительно безопасен (лучше все равно не пробуйте!) - разница температур кожи и жидкости огромна, и быстро образуется газовая прослойка, не дающая коже переохладиться, а-ля эффект Лейденфроста. Главная опасность, подстерегающая при работе - попадание жидкого азота на обычную одежду, так как произойдет мгновенное смачивание ткани, ее очень быстрое охлаждение, и травмирующее холодовое воздействие уже на кожу через очень холодную ткань - это даёт почти гарантированный холодовой ожог.
Условно, главная фобия здесь - жидкий азот попал вам в ботинок - это больно, знаем не понаслышке 🙈. Ну и как с сухим льдом, не помещать жидкий азот в закрытый объем - бытовой закрученный термос с LN2 рванет очень скоро, быстрее чем вам кажется. Для переноски нужен специальный негерметичный термос. Про употребление в пищу даже не пришло бы в голову говорить, в начале поста описано, что будет в этом случае.

Ну и немного экзотики -

3️⃣- Жидкий гелий, LHe.

С этим вы вряд ли столкнетесь, если не занимаетесь экспериментом в области низких температур ❄️. Но для полноты истории расскажем и про него.

Свойства. Жидкость при температуре 4.2 К, выкипает при комнатных условиях почти мгновенно (доли секунды) из за ультранизкой теплоты испарения и огромной теплопроводности. Хранят его также только в сосудах Дьюара, которые зачастую ещё имеют дополнительную полость заполненную жидким азотом - так называемую "азотную рубашку".

Риски. Умеренный риск удушения при резком испарении большого количества в плохо вентилируемом помещении - скапливается вверху, так как очень лёгкий. Впрочем, гелий так же нетоксичен, поэтому грозит "лишь" гипоксия 🙈. Взрыв ёмкости при неосторожном обращении и резком притоке тепла. А ещё гелий дорогой, так что ещё имеется риск финансовых убытков, если все улетело в атмосферу 😂. По этой причине, кстати, обычно дьюары подключены к гелиевой сети, которая собирает то что испарилось для последующего использования.

✨

Перенесемся в конец 19 века, и что же мы увидим? Беспрецедентная плотность новых открытий в физике позволяет называть чудесным чуть ли не каждый год.

✨1888 год - блестящие опыты Г. Герца по передаче э/м волн;

✨1900 год - гипотеза Планка;

✨1925 год - уравнение Шредингера и матричная механика Йордана и Гейзенберга

Казалось бы, такие краеугольные камни здания физики! Однако, наиболее часто "чудесным годом" называется именно 1905, в котором вышло аж четыре статьи Эйнштейна, да вдобавок ещё и по совершенно разным вопросам - фотоэффект, диффузия, СТО и на десерт, эквивалентность массы и энергии. Каждая из них послужила основанием для целой области физики.

На канале - 100 подписчиков!!! Ура-ура, всем спасибо, что вы здесь, хоть у нас странно, сложно и много букв.

🎉🎉🎉

По такому поводу - специальный материал о другом, более значимом, юбилейном событии в физике! 🥳🥳

Бозе-Эйнштейновская конденсация (БЭК)

Мало кто об этом написал, но в 2025 году отмечалось 100 лет работам Бозе и Эйнштейна, предсказывающим конденсацию любой бозонной системы в когерентное квантовое состояние, которое мы сейчас знаем как конденсат (кого бы мы подумали) Бозе-Эйнштейна.

В квантовой механике существует два основных типа поведения одинаковых частиц, когда их "много в одном месте" - то есть, их статистики. Оказывается, что основных типа только два - бозонная и фермионная статистики, и они полностью задаются тем, что происходит с волновой функции двух идентичных частиц при их координатной перестановке.

Бозоны не меняют волновую функцию при перестановке, откуда вытекает тот факт, что они могут накапливаться в одном квантовом состоянии, в отличие от фермионов, подчиняющихся принципу Паули.

Бозонная статистика подразумевает, что при достаточно низкой температуре большой процент частиц-бозонов разместятся в одном состоянии, что и называется конденсатом. Подчеркнем, что никакого взаимодействия между частицами не требуется - лишь подчинения квантовой статистике.

Часто говорят, что сверхтекучесть и сверхпроводимость - это проявление БЭК, однако, здесь все не так просто. БЭК - достаточно хрупкий объект, тогда как сверхтекучесть и сверхпроводимость гораздо более устойчивые и даже гораздо более макроскопические явления: они наблюдаются при нескольких кельвинах, тогда как для БЭК нужно охладить атомы чуть ли не до миллиардных долей кельвина, что возможно лишь для небольших количеств атомов, охлаждаемых оптическим образом с использованием магнитной ловушки.

Если будет много реакций - расскажем больше о взаимных различиях:
- конденсата куперовских пар,
- конденсата атомов сверхтекучего
гелия, и
- конденсата Бозе-Эйнштейна