2011 — год сверхпроводимости

В 2011 году исполняется сто лет со дня открытия сверхпроводимости. В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес исследовал поведение ртути при низких температурах и обнаружил, что её электрическое сопротивление при достаточно низких температурах становится равным нулю, то есть электрический ток течет без потерь. О том, почему так происходит, и какие вопросы остались без ответа даже при столетней истории исследований этого явления, рассказывает заведующий сектором теории сверхпроводимости ФИАН, член-корреспондент РАН, доктор физ.-мат. наук Евгений Максимов.

Сверхпроводимость — одно из самых интересных явлений природы, как с точки зрения фундаментальной науки, так и с практической стороны. Самое простейшее определение сверхпроводимости — это свойство материалов пропускать сквозь себя электрический ток без сопротивления. Однако не все так безоблачно, так как самая максимальная температура сверхпроводящего перехода на сегодня едва достигает 165 К, то есть около -107° C. Если бы человечество овладело всеми тайнами явления и достигло сверхпроводимости при комнатной температуре, тогда сбылись мечты человечества о сверхпроводящих линиях электропередач, проводящих ток при комнатной температуре. В этом случае отпала бы необходимость строить дополнительные электростанции, заниматься термоядерным синтезом, это сэкономило бы, по меньшей мере, около трети вырабатываемой энергии, теряющейся сегодня при ее передаче на расстояния. Еще одна техническая мечта человечества, связанная со сверхпроводимостью — электромагниты, работающие при комнатной температуре. Поскольку всякий ток создает магнитное поле, то сверхпроводник — это идеальная, поскольку бездиссипативная, основа для производства электромагнитов. В настоящее время даже те сверхпроводниковые магниты, которые работают при охлаждении жидким гелием, крайне востребованы и в технике, и в науке. На сверхпроводниках работает недавно запущенный Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, без них невозможно строительство термоядерного реактора ITER в Кадараше, сверхпроводниковые магниты используются в магнитно-резонансной томографии, их испытывают для создания поездов, "летающих" на магнитных подушках, и во многих других областях.

Хотя сверхпроводимость была открыта почти сто лет назад, в 1911 году, но только спустя 46 лет появилось существующее и по сей день объяснение явления на микроскопическом уровне. В 1957 три американских физика — Бардин, Купер и Шриффер, объяснили сверхпроводимость спариванием электронов, то есть образованием куперовских пар, которое осуществляется за счет обмена колебаниями кристаллической ячейки — фононами. В промежутке между этими датами в попытках выяснить природу явления "ломали свои зубы" Эйнштейн, Гейзенберг, Ландау, Бор и многие другие величайшие физики XX века.

Комментирует член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Евгений Максимов: "Поведение обычного несверхпроводящего металла на языке классической механики, в принципе, объяснить можно — электроны, как газ, летают и сталкиваются, их поворачиваешь в одну сторону, а они, сталкиваясь с другими, разворачиваются обратно, поэтому ток испытывает сопротивление. Сверхпроводимость же — это когда вот эти частицы, в отличие от классической механики, не трутся и не разворачиваются. Сверхпроводящее состояние металла — это огромное квантовое состояние, в котором понятие о трении исчезает, все частицы как бы повязаны друг с другом и движутся четким строем, не позволяя никому выскакивать. И объяснение Бардина, Купера и Шриффера основано именно на понимании квантовой сущности явления".

Однако то, что сверхпроводимость — чисто квантово-механическое явление, которое на языке законов Ньютона объяснить нельзя, поняли несколько раньше появления теории БКШ. В 1950 в "Журнале экспериментальной и теоретической физики" (ЖЭТФ) вышла статья В.Л. Гинзбурга и Л.Д. Ландау "К теории сверхпроводимости", где впервые появилась феноменологическая теория Гинзбурга-Ландау. Эта знаменитая теория описала сверхпроводимость с помощью "параметра порядка" или, иными словами, суть сверхпроводимости, по Гинзбургу и Ландау, заключается в существенно более упорядоченном состоянии материала при низких температурах по сравнению с его нормальным состоянием, то есть при температурах выше критической. В рамках теории Гинзбурга-Ландау находит объяснение и факт существования сверхпроводников первого и второго рода, которое в том же 1957 году предсказал Алексей Абрикосов.

"С помощью уравнения Гинзбурга-Ландау, — продолжает Евгений Григорьевич, — можно описать поведение сверхпроводника в магнитных полях, но не особенно вдаваясь в то, как он стал сверхпроводником. А Абрикосов уже через несколько лет после создания этого знаменитого уравнения показал, также не задумываясь о природе возникновения сверхпроводимости, что существуют слегка разные сверхпроводники — 1 и 2 рода. В первых сверхпроводимость под действием магнитного поля разрушается при некотором значении магнитного, во вторых же это разрушение идет постепенно — магнитное поле проникает туда вихрями, число которых постепенно возрастает, и только когда их становится совсем много, сверхпроводимость исчезает. Это то, что называется вихрями Абрикосова. И все сверхпроводники, которые используются сегодня на LHC, в томографах и много где еще, все это сверхпроводники второго рода".

Дальше в хронологии истории исследований сверхпроводимости идет 1964 год, когда Виталий Гинзбург и Джэйсон Литтл независимо друг от друга высказали идею о возможности повышения температуры сверхпроводящего перехода за счет иного, нефононного, механизма.

"Суть сверхпроводимости состоит в том, — рассказывает Максимов, — что между электронами, которые имеются в металле, существует некое притяжение. Представим себе, что один электрон притягивает к себе ион, который движется довольно медленно, через какое-то время электрон улетает, а около оставшегося иона появляется другой электрон, который чувствует его притяжение, и вот так вот опосредованно эти два электрона притягиваются друг к другу. Но эта энергия, с которой движутся ионы, в большинстве металлов довольно низкая, поэтому и критическая температура сверхпроводящего перехода низкая. Гинзбург и Литтл задались вопросом — а не могут ли электроны обмениваться чем-нибудь другим? Не фононами, а какими-нибудь другими возбуждениями, у которых энергия гораздо выше".

В частности, Гинзбург и Литтл просчитали, что замена фононов на экситоны (возбуждения связанных электронов и дырок) позволяет существенно повысить температуру сверхпроводящего перехода — до 50 — 500 К (в то время максимум Тк колебался на уровне 25 К). Однако поиск таких сверхпроводников на практике не увенчался успехом, и тематика высокотемпературных сверхпроводников начала постепенно затухать, пока в 1986 году не появилась еще одна известная статья — Йоханнеса Беднорца и Карла Мюллера. Швейцарские ученые заявили о способности керамики на основе оксидов меди, лантана и бария переходить в сверхпроводящее состояние при 30 К. Продвижение небольшое, но, как оказалось, достаточное для "подогрева" интереса к проблематике, так что уже через полгода появляется следующая работа с крайне положительным результатом — американскому физику Полю Чу удалось найти соединение с температурой сверхпроводящего перехода в 93(!) К. Это, конечно, не комнатная температура, но если со старыми сверхпроводниками можно было работать, только охлаждая гелием, то теперь появилась возможность перейти на более дешевый и доступный охладитель — жидкий азот (температура кипения — 77 К). Но с новыми материалами появились и новые вопросы. Первый — о типе материалов — это те же самые металлы, что и раньше, но просто с некими нюансами, либо же совершенно новая, ранее не известная вещь? Второй вопрос — о природе сверхпроводимости в новых соединениях — это уже привычная теория БКШ или же также что-то совсем новое?

И еще один вопрос остается открытым до сих пор — можно ли достичь комнатной температуры сверхпроводящего перехода? В принципе, ни одной четкой и ясной причины, которая это запрещает, нет. Мало того, существует несколько путей ее повышения. Один из них связан с увеличением "параметра порядка", то есть с "насильным" упорядочиванием атомов в соединении. Например, как рассчитал Е.Г. Максимов, для того, чтобы создать сверхпроводник с температурой перехода в 500-600 К, нужно взять водород и сжать его под давлением 20 Мбар. Достичь таких давлений на нашей планете нельзя, разве что в водородной бомбе при взрыве происходит что-то близкое. Но это, безусловно, не выход. Так что нужно искать другое решение проблемы. И кто знает, может быть, именно в год столетия оно будет найдено.