В 2011 г. научная общественность отметила 100-летний юбилей открытия сверхпроводимости - одного из ярких, необычных и загадочных явлений физики твердого тела. В чем его суть, как происходило накопление знаний в этой области, каков масштаб воздействия феномена на современную физику и технику и какие вопросы, связанные с ним, по сей день остаются без ответа? Об этом Агентству научной информации "ФИАН-информ" рассказал заведующий сектором Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) член-корреспондент РАН Евгений Максимов.

История сверхпроводимости, представляющая собой цепочку открытий все более сложных структур - своеобразную "химическую эволюцию", началась в 1911 г. Тогда голландский экспериментатор Хейке Камерлинг-Оннес, изучавший в Лейденском университете (Нидерланды) свойства различных веществ при гелиевых температурах, работая с чистой ртутью, погруженной в жидкий He, обнаружил странный эффект: ее сопротивление сначала постепенно падало, а затем при T = 4,15 К (примерно -269 °C) резко снижалось почти до нуля. Это явно противоречило существующей в те времена классической электронной теории металлов. Исследователь повторил эксперимент несколько раз, но исход был одинаковым: в условиях сверхнизких температур электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки. "...Не осталось сомнений, - писал он в 1913 г., вспоминая тот период, - в существовании нового состояния ртути, в котором сопротивление физики исчезает". И далее: "Ртуть перешла в новое состояние и, учитывая его исключительные электрические свойства, его можно назвать "сверхпроводящим"*. Это была сенсация: ток в таком кольце мог циркулировать не затухая сколь угодно долго! Голландец даже не сразу понял фундаментальность сделанного им открытия. Однако мировая научная общественность быстро осознала это, и уже в 1913 г. Камерлинг-Оннесу была присуждена Нобелевская премия по физике.

За короткое время ученые установили: и многие другие металлы, например, алюминий, свинец, индий, а также сплавы становятся сверхпроводящими при низких температурах. Перспективы их применения казались безграничными: создание линий передач электроэнергии без потерь, сверхмощных магнитов, электромоторов и трансформаторов новых типов. Однако потребовались десятилетия, прежде чем человечеству удалось понять природу удивительного явления, создать его последовательную теорию и начать практическое использование.

"Поведение обычного несверхпроводящего металла на языке классической механики, в принципе, объяснить можно, - комментирует Евгений Максимов. - 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 час-

* См.: В. Сытников, В. Высоцкий. Сверхпроводниковые технологии в электроэнергетике. - Наука в России. 2010, N 2 (прим. ред.).

тицы, в отличие от классической механики, не трутся и не разворачиваются... 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".

Важную роль в развитии рассматриваемой теории сыграло открытие в 1933 г. немецким физиком Вальтером Мейсснером и его коллегой Робертом Оксенфельдом эффекта вытеснения постоянного магнитного поля из массивного проводника, когда последний становится сверхпроводящим. Его называют эффектом левитации (от лат. levitas - "облегчение"), при котором предмет парит в пространстве без видимой опоры, не притягиваясь к поверхности земли, воды. Тогда и стало ясно: сверхпроводимость - явление квантово-механическое.

Серьезный шаг в постижении удивительных свойств материалов при низких температурах сделали в 1950 г. советские физики, будущие лауреаты Нобелевской премии академики Лев Ландау (1962 г.) и Виталий Гинзбург (2003 г.). Тогда в "Журнале экспериментальной и теоретической физики" впервые появилась их феноменологическая теория, описывающая сверхпроводимость с помощью так называемого "параметра порядка", а также учета квантовых эффектов, а именно волновой функции, характеризующей поведение электронов в твердом теле. Ученые предположили: при определенных параметрах эти частицы приходят в согласованное (когерентное) состояние и неотличимы друг от друга.

Так, пояснил Максимов, с помощью уравнения Гинзбурга-Ландау можно было описать поведение сверхпроводника в магнитных полях, но ответить на вопрос, как он стал таким, - нельзя. Проблему решили в 1957 г. три американских физика - Джон Бардин (иностранный член АН СССР с 1982 г.), Леон Купер и Джон Шриффер (иностранный член АН СССР с 1988 г.), создавших микроскопическую теорию, объясняющую загадочное явление спариванием электронов (т.е. образованием так называемых куперовских пар) за счет обмена колебаниями кристаллической ячейки квазичастицами - фононами, за что и получили в 1972 г. Нобелевскую премию.

При проверке теории Гинзбурга-Ландау наш соотечественник академик Алексей Абрикосов (ныне живущий в США и работающий в Аргоннской национальной лаборатории) обнаружил в 1957 г. новый класс материалов - сверхпроводники второго типа. В отличие от первого они сохраняют свойства даже в присутствии сильного магнитного поля (до 25 Тл). Ученый объяснил эти особенности, развивая рассуждения коллеги Виталия Гинзбурга, образованием регулярной решетки магнитных линий, окруженных кольцевыми токами. Такие структуры носят название "вихрей Абрикосова". Однако теоретические изыскания позволили ему задолго до экспериментального обнаружения предска-

Металлы, температура их сверхпроводящего перехода (T_c, K), год публикации обнаружения сверхпроводимости.

Постоянный магнит, парящий на расстоянии чуть больше 1 см над дном сверхпроводящей чашечки.

зать ряд явлений, характерных для данных сверхпроводящих материалов. Кстати, именно они сегодня доминируют в коллайдерах - ускорителях заряженных частиц на встречных пучках*, томографах и других мощных технических устройствах. За эти работы в 2003 г. Абрикосов получил Нобелевскую премию вместе с Виталием Гинзбургом и их американским коллегой Энтони Леггеттом.

Далее, следуя хронологии, Максимов выделил 1964 г., когда Гинзбург и Джейсон Литтл (США) независимо друг от друга высказали идею о возможности повышения температуры сверхпроводящего перехода за счет иного, нефононного, механизма. Они, в частности, просчитали: замена фононов на экситоны (водородоподобные квазичастицы) существенно (до 50 - 500 К) увеличит t (заметим, в то время температурный максимум колебался на уровне 25 К). Однако на практике поиск таких материалов не увенчался успехом, и тематика начала постепенно затухать.

Но в 1986 г. появилась сенсационная публикация сотрудников лаборатории известной компьютерной фирмы IBM швейцарца Карла Мюллера (иностранный член РАН с 1994 г.) и немца Йоханнеса Беднорца с сообщением о способности керамики на основе оксидов меди, лантана и бария переходить в сверхпроводящее состояние при 30 К (!). Это свидетельствовало об открытии нового класса веществ - высокотемпературных сверхпроводников. Работа, практически сразу же (в 1987 г.) отмеченная Нобелевской премией, вызвала лавину исследований в этой области. Уже через полгода американскому физику Полю Чу удалось найти соединение с температурой перехода в 93 К. А самая

* См.: Л. Смирнова. Старт Большого адронного коллайдера. - Наука в России, 2010, N 5 (прим. ред.).

высокая - 138 К - была достигнута для сложного соединения HgBa₂Ca₂Cu₃O_x в 1993 г. И оснований полагать, что это предел, нет.

Укажем и на другую важную особенность: если со "старыми" материалами можно было работать, охлаждая их только гелием, то теперь появилась возможность перейти на более дешевый и доступный хладагент - жидкий азот (температура кипения 77 К).

Однако, подчеркнул Максимов, с открытием нового класса веществ вопросы не исчезали, а только нарастали. Это те же металлы, хотя и с некими нюансами, либо совершенно новые, ранее неизвестные? Подходит ли для объяснения природы сверхпроводимости в этих соединениях микроскопическая теория Бардина, Купера и Шриффера? И можно ли достичь таких показателей сверхпроводящего перехода, чтобы сбылась мечта человечества о линиях электропередачи, проводящих ток при комнатной температуре, что экономило бы по меньшей мере около трети вырабатываемой энергии, теряющейся сегодня при ее трансляции на расстояния? Ответы, констатирует заведующий сектором ФИ АН, до сих пор, спустя 100 лет после обнаружения феномена, остаются открытыми.

И тем не менее надо признать успехи практического применения сверхпроводимости. Это явление все чаще используют в современной электронике, энергетике, промышленности и медицине.

"Сверхпроводники, - отметил Максимов, - идеальная основа для производства электромагнитов". А они необходимы прежде всего для решения многих физических задач. Например, в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (ныне Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"), где с 1956 г. занимаются управляемым термоядерным синтезом*, создали серию установок "Токамак" со сверхпроводящими обмотками. Они представляют собой тор (проще говоря, "бублик"), магнитное поле которого способно удерживать высокотемпературную плотную плазму.

На сверхпроводниках работает Большой адронный коллайдер** - самая крупная экспериментальная установка в мире, построенная на границе Швейцарии и Франции. Без них невозможно и создание Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, сооружаемого в Кадараше (Франция)***.

Другая область практического применения сверхпроводимости - чувствительные электронные приборы. Магнитометры, способные обнаруживать поля порядка 10^-9 Гс, используют при изучении магнитных материалов, а также в медицинских кардиографах. Чрезвычайно восприимчивые детекторы востребованы в геофизике.

Сверхпроводящие устройства все больше влияют на метрологию: они работают в компараторах тока (приборах, предназначенных для сравнения измеряемой величины с эталонной), их применяют в фундаментальных исследованиях при измерении дробных зарядов атомных частиц и проверке теории относительности.

* См.: В. Стрелков. Царского пути в термояде нет. - Наука в России, 2009, N 1 (прим. ред.).

** См.: Л. Смирнова. Мегапроект XXI в. - Наука в России, 2009, N 5 (прим. ред.).

*** См.: В. Глухих. На пороге термоядерной эры. - Наука в России, 2003, N 3; Л. Голубчиков. Токамак - интернациональный проект. - Наука в России, 2004. N 1 (прим. ред.).

В компьютерных технологиях сверхпроводники могут обеспечивать ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Сейчас речь идет об опытных образцах тонкопленочных контактов, содержащих сотни логических элементов, в том числе памяти.

Применение в промышленности связано прежде всего с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром всего в несколько дюймов ее можно передавать столько же, как по огромной сети ЛЭП, причем с мизерными потерями или вообще без них, а стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников компенсируется эффективностью процесса.

Еще одна потенциальная сфера внедрения - генераторы тока и электродвигатели малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля, значительно увеличивая мощность этих устройств по сравнению с обычными машинами. Кстати, опытные образцы такой техники уже созданы у нас. При внедрении керамических сверхпроводников она может быть достаточно экономичной.

И последнее. Инженеров давно интересовал вопрос использования уникальных свойств данных материалов (в частности, левитации) для создания подвески поезда. Ведь за счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, он может следовать плавно, без шума и трения, развивая при этом очень большую скорость. Отметим: такой высокотехнологичный транспорт начали эксплуатировать в 1980-х годах в Бирмингеме (Англия). Правда, спустя 11 лет его сняли с линии из-за технических проблем. Но теперь его можно увидеть в Китае и Японии, где выпустили свыше 10 модификаций поездов на магнитной подушке. Один из них - MLX01 - в 2003 г. установил абсолютный для данного вида транспорта рекорд скорости, разогнавшись до 581 км/ч.

По материалам Агентства научной информации "ФИАН-информ", 28 декабря 2010 г.

Материал подготовила Марина ХАЛИЗЕВА

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: