Теперь, когда во всем мире обсуждают свойства высокотемпературных сверхпроводников и перспективы их применений в науке и технике, многие моменты истории развития сверхпроводимости высвечиваются не так, как было до этого выдающегося открытия. Впервые о сверхпроводимости, одном из самых ярких и необычных явлений физики твердого тела, стало известно 28 апреля 1911 года, ко- гда нидерландский физик Г. Камерлинг-Оннес2 на заседании Королевской академии наук в Амстердаме сообщил о только что обнаруженном им эффекте — полном исчезновении электрического сопротивления ртути, охлажденной жидким гелием до температуры 4,15 Кельвина. Хотя этого открытия никто не ожидал, и оно противоречило существовавшей в те времена классической электронной теории металлов, тот факт, что перво- открывателем сверхпроводимости стал Камерлинг-Оннес, был не случаен. 1 Сверхпроводник, приготовленный в Средние Века, был обречен на забвение по той же причине: под рукой не оказалось жидкого гелия! (Прим. ред.) 2Х. Камерлинг-Оннес A853—1926) — голландский физик, пионер физики низких темпе- ратур; лауреат Нобелевской премии 1913 г. 199 Дело в том, что именно ему первому удалось решить труднейшую научную и техническую задачу того времени — получить жидкий гелий (температу- ра кипения 4,2 К), возможность работать с которым позволила заглянуть в неведомый мир температур, близких к абсолютному нулю. Он решил тут же применить появившееся средство исследования для выяснения низко- температурного поведения сопротивления чистых металлов. В это время шла оживленная теоретическая дискуссия: обращается ли в ноль или оста- ется конечным сопротивление чистого металла при абсолютном нуле тем- пературы. Будучи сторонником первой точки зрения, Камерлинг-Оннес с удовлетворением воспринял полученный на ртути результат, однако вскоре осознал, что обращение сопротивления в ноль при конечной температуре является совсем иным эффектом. Подчеркнем, что в сверхпроводящем состоянии сопротивление образ- ца электрическому току равно нулю не приблизительно, а строго. Поэтому по сверхпроводящей замкнутой цепи ток может сколь угодно долго цир- кулировать, не затухая. Самое длительное существование незатухающего сверхпроводящего тока — около двух лет — было зафиксировано впо- следствии в Англии (этот ток циркулировал бы в кольце и поныне, если бы не перерыв в снабжении лаборатории жидким гелием, вызванный заба- стовкой транспортных рабочих). Даже спустя два года не было замечено никакого ослабления тока. Вскоре после открытия сверхпроводимость обнаружили не только в ртути, но и в целом ряде других металлов. Перспективы практического применения открытого явления казались безграничными: линии переда- чи электроэнергии без потерь, сверхмощные магниты, электромоторы и трансформаторы новых типов и так далее. Однако два препятствия встали на пути реализации этих планов. Первое — это чрезвычайно низкие критические температуры, при ко- торых явление сверхпроводимости наблюдалось во всех известных мате- риалах. Для охлаждения сверхпроводников до столь низких температур приходилось пользоваться остродефицитным гелием (запасы его на Земле ограничены, и получение одного литра жидкого гелия даже сейчас обхо- дится в несколько долларов). Это обстоятельство делало многие заманчи- вые проекты использования сверхпроводимости попросту нерентабельны- ми. Второе препятствие — его вскоре обнаружил сам Камерлинг-Оннес — связано с тем, что сверхпроводимость оказалась весьма «капризной» по отношению к магнитному полю (а следовательно, и к предельной величине протекающего тока): в сильных полях она разрушалась. Следующим фундаментальным свойством сверхпроводящего состоя- ния, обнаруженным в 1933 году, оказался так называемый эффект Мейс- нера: полное «выталкивание» массивным сверхпроводником магнитного 200 Глава 23. Страсти по сверхпроводимости... поля из своего объема. Однако экспериментальное изучение сверхпрово- димости по-прежнему затруднялось необходимостью работать с жидким гелием, поскольку до войны его получали лишь в десятке лабораторий мира (в СССР таких лабораторий было две). Сущность феномена сверхпроводимости оставалась совершенно не- объяснимой с точки зрения классической теории металлов, а кванто- вая теория в то время лишь начинала создаваться. Была предложена так называемая феноменологическая двухжидкостная модель, в которой принималось сосуществование в сверхпроводящем металле двух сортов электронов: обычных, взаимодействующих с решеткой, и особых, сверх- проводящих, с решеткой по каким-то причинам не взаимодействующих. Это позволило братьям Гейнцу и Фрицу Лондонам1 написать уравнения электродинамики сверхпроводника, описывающие эффект Мейснера2 и не- которые другие свойства, однако микроскопическая природа сверхпрово- димости оставалась загадкой. Открытие в 1938 году П. Л. Капицей3 явления сверхтекучести — про- текания жидкого гелия без какой-либо вязкости через сколь угодно тонкие капилляры при температурах ниже 2,18 К — и последующее объяснение этого явления Л. Д. Ландау4 породили надежды на скорое понимание феномена сверхпроводимости. Оказалось, что при низких температурах в системе атомов гелия, являющихся квантовыми частицами с целым спи- ном, происходит их накапливание на самом низком энергетическом уровне (явление Бозе-конденсации). Ландау показал, что при этом в энергетиче- ском спектре возбуждений появляется характерная щель, приводящая к возможности сверхтекучего состояния. Это чисто квантовое, однако про- являющееся в макроскопическом масштабе, явление позволило Ландау назвать жидкий гелий «окном в квантовый мир». Механически перенести ту же идеологию на сверхпроводимость, т. е. трактовать ее как сверхтекучесть электронов в металле, не удалось. Дело в том, что поведение квантовой системы электронов (частиц с полуцелым спином — так называемых фермионов) кардинально отличается от пове- 'Братья Фриц A900—1954) и Гейнц A907—1970) Лондоны родились в Германии, покинули родину в середийе тридцатых годов. Впоследствии работали в США (Ф. Лондон) и в Англии (Г. Лондон). Специалисты по физике низких температур, сверхпроводимости и сверхтекучести. 2См. стр. 225 3П. Л. Капица A894—1983) — русский физик-экспериментатор. Труды по физике низких температур, физике и технике сверхсильных магнитных полей, электронике больших мощно- стей, физике плазмы. Открыл сверхтекучесть жидкого гелия. Лауреат Нобелевской премии 1978 г. 4Л. Д. Ландау A908—1968) — советский физик-теоретик. Автор классических трудов по теориям сверхпроводимости и сверхтекучести, физике твердого тела, теории фазовых переходов. Лауреат Нобелевской премии 1962 г. 2Ш дения системы атомов гелия (частиц с целым спином — бозонов). Здесь и при нулевой температуре могут возникать возбуждения со сколь угодно малыми энергиями, а следовательно, не выполняется сформулированный Ландау критерий сверхтекучести. Естественное желание свести задачу к предыдущей наталкивало на мысль создать из двух электронов-фермионов один составной бозон с суммарным целым спином, после чего реализовать для сверхпроводимости схему сверхтекучести по Ландау. Однако этому, очевидно, мешало кулоновское1 отталкивание между двумя электронами, пусть даже и сильно экранированное в электронейтральном металле. Прошло еще десять лет, и в 1950 году был открыт так называемый «изотопический эффект», который впервые указал на связь явления сверх- проводимости с кристаллической решеткой металла. При измерении кри- тической температуры свинца обнаружилось, что она зависит от массового числа исследуемого изотопа, т. е. сверхпроводимость перестала быть чисто электронным явлением. Чуть позже X. Фрёлих2 и Дж. Бардин независи- мо показали, что взаимодействие электронов с колебаниями решетки — фононами —может приводить к притяжению. Это притяжение в принци- пе может даже эффективно превышать кулоновское отталкивание между электронами, однако не следовало забывать об огромных кинетических энергиях электронов, казалось бы, разрывающих найденную слабую связь. Составные бозоны снова не получились. В том же 1950 году на основе накопленного экспериментального ма- териала и развития теоретических представлений о физике твердого тела, зиждущихся на применении квантовой механики и статистической физики, В. Л. Гинзбург3 и Л. Д. Ландау создают новую феноменологическую тео- рию сверхпроводимости: так называемую теорию Гинзбурга — Ландау. Эта теория оказалась настолько провидческой и успешной, что и сегодня явля- ется мощным инструментом исследования сверхпроводимости, несмотря на прошедшие 50 лет и последующее создание микроскопической теории сверхп роводи мости. В 1957 году американскими учеными Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером4 собираются воедино упомянутые выше намеки и идеи и 'Ш. О. Кулон A736-1836) — французский физик-экспериментатор и инженер; занимался электричеством и магнетизмом, прикладной механикой. Изобретатель крутильных весов. 2Г. Фрёлих (родился в 1905 г.) — английский физик-теоретик; работы по физике твердого тела, сверхпроводимости, теории поля. 3В. Л. Гинзбург (родился в 1916 г.) — русский физик-теоретик и астрофизик. ''Дж. Бардин (родился в 1905 г.) — американский физик-теоретик, дважды удостоен лауреат Нобелевской премии; в 1956 г. за создание транзистора и в 1972 г. за теориию сверхпроводимости. Л. Купер (родился в 1930 г.) и Р. Шриффер (родился в 1931 г.) — американские физики, лауреаты Нобелевской премии 1972 г. 202 Глава 23. Страсти по сверхпроводимости... формулируется последовательная микроскопическая теория сверхпрово- димости (известная как теория БКШ). Явление сверхпроводимости, дей- ствительно, оказалось связанным с возникновением в металлах притяже- ния между электронами. Природа этого притяжения носит сугубо кванто- вый характер. Большие кинетические энергии электронов, обусловленные особенностями основного состояния квантовой системы фермионов, не помеха: спаривание возникает не между самими электронами, а между низкоэнергетическими возбуждениями в этой системе — квазичастицами. Они имеют тот же заряд, что и электрон, и некоторую эффективную массу, однако в металлической фазе их энергии могут быть сколь угодно малы- ми1. Притяжение приводит к перестройке и этого спектра и к «открытию» в нем так необходимой для выполнения критерия сверхтекучести Ландау щели. В качестве нестрогой аналогии можно привести пример двух шариков, лежащих на резиновом коврике. Если эти шарики далеки друг от друга, то каждый из них деформирует коврик, образуя вокруг себя лунку. Если же положить сначала один шарик, а затем невдалеке от него другой, то их лунки сольются в одну и шарики скатятся вместе на дно общей лун- ки. В металлах подобное притяжение возникает вследствие деформации кристаллической решетки. Часть квазичастиц (обычно, после введения в теорию, их снова называют электронами) при достаточно низких темпера- турах как бы объединяются в связанные (так называемые куперовские — по имени их первооткрывателя) пары, которые, пребывая в особом, кванто- вом состоянии, переносят электрический ток без потерь энергии. Размеры таких пар в атомном масштабе весьма велики — они могут достигать сотен и тысяч межатомных расстояний. По образному сравнению Дж. Шриффе- ра их следует представлять, не как два электрона, связанных друг с другом наподобие двойной звезды, а, скорее, как двух партнеров, пришедших вме- сте в дискотеку, но танцующих, может быть, в разных концах зала, когда их разделяют десятки других танцоров. Таким образом, сверхпроводимость — не что иное, как макроскопическое квантовое явление. Итак, потребовалось почти полвека с момента открытия сверхпрово- димости, прежде чем был достигнут качественный прогресс в понимании природы этого удивительного явления и создана его последовательная теория. Этот период можно считать первым этапом в изучении сверхпро- водимости.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «От удивления — к пониманию» з дисципліни «Дивовижна фізика»
