Седьмого октября 2003 года три профессора были застигнуты врасплох звонками из
Швеции: британец Энтони Леггетт и два выпускника Московского
университета Алексей Алексеевич Абрикосов и Виталий Лазаревич Гинзбург. Именно
этим людям в этом году доведется участвовать в церемонии вручения Нобелевских
премий по физике в роли лауреатов.
В этом году самой престижной мировой премией будет вознагражден пионерский вклад
каждого из этих ученых в развитие теорий сверхпроводимости и сверхтекучести.
Важность сверхпроводников для современной науки и промышленности вряд ли нужно
подробно обосновывать. Достаточно вспомнить о преимуществах передачи энергии или
данных без сопротивления, о сверхсильных магнитных полях и сверхвысокой
чувствительности, получаемых в современных исследованиях на СКВИДах
(сверхпроводящих квантово-интерференционных датчиках) и медицинских
установках, таких как ЯМР-томографы (кстати, тоже Нобелевская премия этого года -
но уже по физиологии и медицине). А наиболее зрелищным примером их применения,
конечно являются поезда-маглевы,
использующие явление
магнитной
левитации -
эффект Мейсснера-Оксенфельда.
Немного о виновниках торжества - россиянах. Оба, по окончании физического
факультета МГУ им. Ломоносова, с разницей в семь лет (В.Л.Гинзбург защищал
кандидатскую диссертацию после аспирантуры физфака) решили продолжать научную
работу в Физическом институте АН СССР им. П.Н.Лебедева (ФИАН). Работы
этих выдающихся ученых были уже неоднократно отмечены правительственными
и международными премиями. Вот и мечта любого физика - Нобелевская. Так что
же было сделано ими в области сверхпроводимости и сверхтекучести?
|
| От лаборатории к практике: левитация маленького образца (в заголовке
статьи); пути японского экспериментального маглев-поезда;
Transrapid Test Facility, Emsland, Germany |
История исследования обоих "нобелевских" явлений этого года началась в 1908
году в Лейдене, в лаборатории Х.Камерлинг-Оннеса с получением жидкого гелия.
Надо отметить, что первые полтора десятка лет только его лаборатории удавалось
ожижать гелий и исследовать температурную область от 4,2 до 77 Кельвинов.
Систематические исследования проводимости, проводившиеся Камерлинг-Оннесом с
сотрудниками, привели к открытию резкого исчезновения электрического
сопротивления ртути вблизи температуры кипения гелия в 1911 году. Уже через два
года за это открытие была присуждена первая Нобелевская премия. Продолжавшиеся
исследования давали новые результаты, была открыта сверхпроводимость белого олова
и свинца. Камерлинг-Оннес ошибочно полагал, что аналогичное исчезновение
сопротивления свойственно всем чистым металлам - нужно только должным
образом очистить их от примесей. Именно легкость очистки и дистилляции ртути, а также
близость температуры сверхпроводящего перехода к точке кипения гелия и
позволили открыть сверхпроводимость в 1911 году, а не позже.
Голландские ученые обнаружили и то, что сверхпроводимость разрушается магнитным
полем, а также построили в 1914 году первый электромагнит со сверхпроводящей
обмоткой. Затем, в 1933, Мейсснер и Оксенфельд сообщили об открытии полного
вытеснения магнитного поля из сверхпроводника. Это позволило считать
сверхпроводящее состояние "фазой" в термодинамическом смысле слова. А в 1937
(незадолго до своего ареста и расстрела) Л.В.Шубников сообщил
о необычном поведении некоторых
сплавов, обладающих сверхпроводящими свойствами. Это были первые намеки на
различение сверхпроводников I и II рода.
В 1938 П.Л.Капице удалось обнаружить новое состояние гелия, названное за полную
потерю вязкости сверхтекучим. Первые признаки новой фазы гелия (гелия-II) были
обнаружены еще в том же 1911 году Камерлинг-Оннесом, однако идея искать
сверхтекучести не посетила его. Это открытие, кстати, помогло Капице освободить
из тюрьмы арестованного в 1937 году Льва Ландау. Знаменитый теоретик к 1941
году разработал теорию сверхтекучести, хотя и не сделал тогда всех необходимых
для понимания природы эффекта выводов. В частности, хотя уже тогда было в ходу
представление о сверхпроводимости как течении электронной жидкости без
сопротивления, он не рассматривал связи эффекта с феноменом Бозе-Эйнштейновской
конденсации и не считал сверхпроводимость и сверхтекучесть столь уж
родственными явлениями. Смущало то, что электроны и атомы гелия подчиняются
различным статистическим распределениям: Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна
соответственно.
Вторая мировая война заставила эвакуировать ряд крупных научных центров из Москвы
и Ленинграда. В эвакуации в Казани Л.Д.Ландау и В.Л.Гинзбург приступили к
разработке теории сверхпроводимости, основывающейся на представлениях о
параметрах порядка и теории Ландау фазовых переходов второго рода. Эта теория
сверхпроводимости была опубликована в 1950 году и известна сегодня под названиями
теории Гинзбурга-Ландау или пси-теории сверхпроводимости. Она обобщала и решала
ряд проблем теории Г. и Ф.Лондонов, уже тогда во многом объяснявшей поведение
сверхпроводников I рода, полностью вытесняющих магнитное поле, в области низких
температур и слабых полей. Пси-теория, в свою очередь, рассматривала главным
образом непосредственно область фазового перехода, т.е. так называемые
критические явления. В одно из основных квантовомеханических уравнений новой
теории в качестве параметра входил и некий эффективный заряд
e*, который, как оказалось, лежит в пределах от 2 до 3
элементарных зарядов электрона e.
Уже после создания теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (1957 г.), Горьков
показал, что e* = 2e строго. Это вполне логично, если
вспомнить о том, что в сверхпроводящих материалах первого рода за счет
взаимодействия электронов проводимости с колебаниями атомов кристаллической
решетки (фононами) образуются так называемые куперовские пары электронов.
Они обладают, как нетрудно догадаться, зарядом 2e, и подчиняются уже
статистике Бозе-Эйнштейна, то есть могут все находиться в основном состоянии -
состоянии Бозе-конденсата. Создание теории БКШ оказалось возможным благодаря
открытию зависимости критической температуры сверхпроводников I рода от массы
атомов в решетке (т.н. изотопического эффекта).
В своей предъюбилейной статье (УФН),
посвященной истории сверхпроводимости, академик Гинзбург сетует, что не догадался
о
возможности подобного спаривания
электронов с образованием одного бозона из двух фермионов,
что особенно досадно, поскольку еще в 1952
году он сам показал, что газ заряженных бозонов должен вести себя аналогично
сверхпроводнику в смысле вытеснения магнитного поля (эффекта
Мейсснера-Оксенфельда). До сих пор теория развивалась только для сверхпроводников
I рода.
При разработке теории Гинзбурга-Ландау был обнаружен еще один фундаментальный
параметр, влияющий на устойчивость сверхпроводящего состояния. В своей работе
Гинзбург и Ландау рассмотрели лишь одну из областей возможных значений этого
параметра (
), тогда как при прочих значениях
должна
"наблюдаться некоторая неустойчивость". Как показал в 1957 году другой
Нобелевский лауреат этого года, Алексей Алексеевич Абрикосов, эта неустойчивость
соответствует возникновению так называемого смешанного состояния, где
сверхпроводящая и нормальная фаза сосуществуют, а магнитный поток проникает в
сверхпроводник отдельными порциями - квантами, которые образуют т.н. решетку
вихрей Абрикосова. Именно это смешанное состояние реализуется в определенном
интервале магнитных полей в сверхпроводниках II рода. Оказалось, что теория,
разработанная для сверхпроводников I рода, работает еще и здесь.
Академик Гинзбург, как и некоторые другие ученые, искал другие механизмы
возникновения сверхпроводимости помимо электрон-фононного взаимодействия,
которые позволили бы получить сверхпроводники при температурах выше 100
Кельвинов. Так, он рассмотрел поведение квазидвумерного сверхпроводника-сэндвича
-
тонкой сверхпроводящей пленки между слоями диэлектрика.
В этой модели электроны
взаимодействовали бы не с фононами, энергия которых ограничена уровнем
температуры Дебая, а с экситонами - квазичастицами, соответствующими
возбуждению связанных
электронов диэлектрических слоев. Этот шаг весьма важен,
поскольку наиболее перспективные современные высокотемпературные сверхпроводники
(ВТСП) - купраты - представляют собой изначально непроводящую
диэлектрическую слоистую
основу из оксида меди CuO с примесями различных металлов.
Купратные ВТСП-материалы представляют собой, как оказалось, достаточно сильно
обособленный класс материалов, жаркие споры о механизмах сверхпроводимости в
которых начались после их открытия и не завершены до сих пор. Нобелевскими
премиями уже были отмечены:
- открытие сверхпроводимости;
- объяснение ее в
сверхпроводниках I рода, являющих собой металлы и их сплавы;
- открытие
ВТСП-керамических материалов Беднорцем и Мюллером в 1986 году.
Теперь отмечен и
вклад в разработку теорий, более широко объясняющих течение квантовых жидкостей
без сопротивления. Пожалуй, на этом пути еще ждут нас удивительные открытия,
как и новые приятные новости из Швеции.
Алексей Крашенинников, Phys.Web.Ru
Фото
Faculteit
NWI, Universiteit van Amsterdam;
High Speed Rail by Oliver Keating;
Schiller Institute;
University
of Nottingham, MR Group
