Незатухающий ток — постоянный электрический ток , не требующему внешнего источника энергии. Такой ток невозможен в обычных электрических устройствах, так как все обычно используемые проводники имеют ненулевое сопротивление, и это сопротивление быстро рассеивает любой такой ток в виде тепла. Однако в сверхпроводниках и некоторых мезоскопических устройствах возможны и наблюдаются незатухающие токи из-за квантовых эффектов . В резистивных материалах постоянные токи могут появляться в микроскопических образцах из-за размерных эффектов. Незатухающие токи широко используются в виде сверхпроводящих магнитов .

В намагниченных материалах

В электромагнетизме намагниченность можно рассматривать как микроскопические незатухающие токи. По определению намагниченность ${\displaystyle \mathbf {M} }$ можно заменить соответствующей микроскопической формой, которая представляет собой плотность электрического тока:

${\displaystyle \mathbf {J} =\nabla \times \mathbf {M} \,.}$

Этот ток является связанным током, и не имеет никакого накопления заряда, поскольку он бездивергентен . Это означает, что любой постоянный магнит, например кусок магнитного камня , может рассматриваться как имеющий незатухающие электрические токи, протекающие по нему (незатухающие токи обычно концентрируются вблизи поверхности).

Обратное также верно: любой незатухающий электрический ток не имеет дивергенции и поэтому его можно представить как намагниченность. Следовательно, в макроскопических уравнениях Максвелла существует математический произвол, представлять ли незатухающие токи как намагниченность или наоборот. Однако в микроскопической формулировке уравнений Максвелла ${\displaystyle \mathbf {M} }$ не появляется, и поэтому любые намагниченности должны быть представлены связанными токами.

В сверхпроводниках

В сверхпроводниках заряд может течь без всякого сопротивления. Можно изготовить куски сверхпроводника с большим встроенным незатухающим током, либо создав сверхпроводящее состояние (охлаждая материал) во время протекания через него тока, либо изменив магнитное поле вокруг сверхпроводника после создания сверхпроводящего состояния . Этот принцип используется в сверхпроводящих электромагнитах для создания устойчивых сильных магнитных полей, для поддержания которых требуется лишь небольшое количество энергии. Незатухающий ток впервые был получен Х. Камерлинг-Оннесом , а попытки установить нижнюю границу их продолжительности достигли значений более 100 000 лет .

В проводниках с сопротивлением

Крошечные незатухающие токи могут существовать внутри резистивных металлов, помещённых в магнитное поле, даже в металлах, которые номинально являются «немагнитными» . Ток является результатом квантово-механического эффекта, который влияет на то, как электроны движутся через проводники, и возникает из-за того же вида движения, которое позволяет электронам внутри атома вечно вращаться вокруг ядра .

Этот тип незатухающего тока представляет собой мезоскопический низкотемпературный эффект: величина тока становится заметной, когда размер металлической системы уменьшается до масштаба электрона и . Незатухающие токи уменьшаются с повышением температуры и исчезают экспоненциально при температуре выше чем . Эта температура масштабируется как величина, обратная квадрату диаметра контура . Следовательно, предполагалось, что незатухающие токи могут протекать вплоть до комнатной температуры и выше в нанометрических металлических структурах, таких как наночастицы металлов (Au, Ag,…). Эта гипотеза была предложена для объяснения сингулярных магнитных свойств наночастиц из золота и других металлов . В отличие от сверхпроводников, эти постоянные токи не появляются при нулевом магнитном поле, поскольку ток симметрично колеблется между положительными и отрицательными значениями; магнитное поле нарушает эту симметрию и допускает ненулевой средний ток. Хотя постоянный ток в отдельном кольце в значительной степени непредсказуем из-за неконтролируемых факторов, таких как конфигурация рассеивателей, он имеет небольшое смещение, так что средний постоянный ток появляется даже для ансамбля проводников с различными конфигурациями рассеивателей .

Этот тип незатухающего тока в кольцах микрометрового масштаба был предсказан в 1983 году Маркусом Бюттикером, Йозефом Имри и Рольфом Ландауэром . Поскольку для эффекта требуется фазовая когерентность электронов по всему кольцу, ток нельзя наблюдать, когда кольцо прерывается например амперметром , и, следовательно, ток необходимо измерять косвенно через его намагниченность . Фактически, все металлы проявляют некоторую намагниченность в магнитных полях из-за комбинации эффекта де Хааза — ван Альфена , диамагнетизма ядра, диамагнетизма Ландау , парамагнетизма Паули , которые проявляются независимо от формы проаодника. Дополнительная намагниченность от незатухающего тока становится сильной при форме соединённого кольца и, например, исчезнет, если кольцо разрезать .

Экспериментальные доказательства наблюдения незатухающих токов были впервые представлены в 1990 году исследовательской группой Bell Laboratories , которая использовала сверхпроводящий резонатор для изучения массива медных колец . Последующие измерения с использованием сверхпроводящих резонаторов и чрезвычайно чувствительных магнитометров, известных как устройства сверхпроводящей квантовой интерференции (СКВИД), дали противоречивые результаты . В 2009 году физики из Стэнфордского университета , использующие сканирующий СКВИД и из Йельского университета , использующие микроэлектромеханические кантилеверы сообщили об измерениях незатухающих токов в наноразмерных золотых и алюминиевых кольцах соответственно, которые показали строгое согласие с простой теорией невзаимодействующих электронов.

Измерения проведённые в 2009 году обнаружили большую чувствительность к незатухающим токам, чем предыдущие измерения, и внесли несколько других улучшений в обнаружение незатухающих токов. Способность сканирующего СКВИДа изменять положение детектора СКВИДа относительно кольца позволяла измерять количество колец на одном чипе образца и лучше извлекать текущий сигнал из фонового шума. Техника механического обнаружения кантилеверного детектора позволила измерить кольца в чистой электромагнитной среде в широком диапазоне магнитного поля, а также измерить количество колец на одном образце чипа .

Примечания