Холодный расчет: Сверхтекучесть, сверхпроводимость

В конце 30-х годов вдруг обнаружили, что гелий, охлажденный до 2,2 кельвина, свободно проникает через любые, даже самые маленькие, отверстия. Надо сказать, что гелий — единственное известное вещество, которое еще остается жидким при таких низких температурах. Новое необычное свойство очень холодной жидкости исследовал Петр Леонидович Капица и назвал его сверхтекучестью.

После этих открытий стало ясно, что овчинка стоит выделки. Низкие температуры оказались окном в квантовый мир. Ведь когда практически прекращается хаотическое движение атомов, молекул и электронов, на первый план выходят квантовые свойства вещества. Вот тут-то, избавившись от «тепловой завесы», можно разглядеть, как все устроено на самом деле! И действительно, только с помощью квантовой механики удалось в конце концов объяснить, почему материалы так радикально меняют свои свойства при низких температурах: в твердых появляется сверхпроводимость, а в жидких — сверхтекучесть.

Как это ни парадоксально, но теоретические основы этих объяснений были заложены человеком, который так никогда и не согласился с принципами квантовой механики. В 1925 году Альберт Эйнштейн, развивая идеи индийского физика Шатьендраната Бозе, выдвинул смелую гипотезу о поведении вещества при низких температурах и предсказал новое явление, которое позже получило название конденсации Бозе — Эйнштейна.

Представим себе молекулы газа в сосуде, хаотически движущиеся в разных направлениях с разными скоростями. Если мы захотим измерить скорости всех молекул, то увидим, что даже при комнатной температуре нам попадутся такие, которые почти стоят на месте или, наоборот, летят с огромной скоростью. Но таких экзотических случаев будет немного. Больше всего мы обнаружим «середнячков» — тех, которые летают не быстро и не медленно, а примерно в соответствии с окружающей температурой. Чем ниже становится температура, тем медленнее и медленнее передвигаются «середнячки» и тем больше частиц вообще останавливается, имея нулевую скорость. Анализируя такое поведение молекул, Эйнштейн получил удивительный результат: понижение температуры газа может в конце концов привести к тому, что не просто много частиц, а подавляющее их большинство перестанет двигаться и замрет на месте. Это явление он и назвал конденсацией, а сам газ в таком состоянии — конденсатом.

На первый взгляд кажется, что здесь нет ничего необычного. Всем известно, что температура связана со скоростью движения молекул. И то, что молекулы при очень низкой температуре почти совсем останавливаются, вовсе не противоречит нашим обычным представлениям. Но с точки зрения квантовой механики это совершенно особое состояние. Частицы конденсата с одинаковой нулевой скоростью принципиально неразличимы, они имеют одинаковую массу, энергию, заряд и все прочие параметры. Более того, все они одновременно находятся в одном и том же месте, и каждая из них «размазана» по всей области пространства, которую занимает конденсат. Такое состояние физики называют когерентностью. Поэтому бозе-эйнштейновский конденсат — это не просто замершие в неподвижности атомы. Он отличается от обычного охлажденного газа так же, как луч лазера — от света обычной лампочки накаливания.

Долгое время выводы Эйнштейна оставались не более чем гипотезой. Наблюдать само явление конденсации никому не удавалось. Однако для объяснения других необычных свойств веществ при низких температурах эта теория пришлась как нельзя кстати. В 1938 году Фриц Лондон предположил (и оказался прав), что наблюдаемая в гелии сверхтекучесть не что иное, как следствие бозе-эйнштейновской конденсации. А еще через двадцать лет после этого, в 1957 году, взяв за основу теоретические соображения Эйнштейна о конденсате, Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер построили теорию сверхпроводимости и получили за это Нобелевскую премию по физике.

Но можно ли непосредственно наблюдать бозе-эйнштейновскую конденсацию газа — то есть, именно то явление, которое предсказывал Эйнштейн?

Вопрос оставался открытым ни много ни мало семьдесят лет. Чтобы ответить на него утвердительно, пришлось охладить газ до фантастических температур, всего на миллиардные доли градуса отличающихся от абсолютного нуля.

В 1995 году две группы американских ученых в двух разных лабораториях провели удачные эксперименты и одновременно сообщили о наблюдении нового состояния вещества — бозе-эйнштейновского конденсата. В Объединенном исследовательском центре Национального института стандартов США и Колорадского университета Эрик Корнелл и Карл Виман получили это экстремальное состояние для почти двух тысяч атомов рубидия при температуре 20 нанокельвинов. А профессору физики Массачусетского технологического института Вольфгангу Кеттерле удалось наблюдать конденсат из ста тысяч атомов натрия. В 2001 году всем троим первооткрывателям была присуждена Нобелевская премия по физике.

Как это часто бывает в экспериментальной физике, работая на пределе возможностей, ученые проявляют чудеса изобретательности. Вот и на этот раз, чтобы увидеть газ в состоянии бозе-эйнштейновской конденсации, им потребовалось решить ряд занимательных задач.

Для начала пришлось сделать газ из металла (рубидия или натрия) и умудриться охладить его так, чтобы он не вернулся в твердое состояние. При таких низких температурах газ чрезвычайно неустойчив и при любом взаимодействии с окружающим миром стремится стать твердым. Тут решение было очевидно — магнитная ловушка, где вещество удерживается магнитным полем. В такой ловушке можно достаточно долго хранить газ в холодном состоянии. В ней нет никакого взаимодействия со стенками сосуда, поскольку нет стенок как таковых. Более того, изменяя магнитное поле, можно управлять поведением атомов газа. Кстати, пролетающие молекулы могут случайно разрушить такую систему, поэтому ловушка с атомами была помещена в вакуумную установку с высоким вакуумом.

А вот охлаждали газ в два этапа. Сначала был использован метод лазерного охлаждения, придуманный российским физиком В.С. Летоховым еще в 1968 году. На первый взгляд он противоречит нашим представлениям о применении лазеров. Ведь лазерный луч для нас — это в первую очередь переносчик энергии, он нагревает вещество и даже обладает разрушительной силой. Тем не менее ученые заставили его действовать в другом направлении. Если вам интересно узнать, как им это удалось, читайте материал на врезке.

Следующий этап — испарительное охлаждение. Идея этого метода проста и изящна, и именно она оказалась тем последним кусочком, которого не хватало для решения этой страшно холодной головоломки. В веществе, которое мы поместили в ловушку и пытаемся охладить, всегда есть частички, атомы или молекулы, движущиеся быстрее других. Они «клубятся» над остальными более спокойными частицами и покидают ловушку, если оказываются выше ее границ. Когда все самые быстрые улетят, понизим границы ловушки. Снова дождемся, пока улетят самые расторопные, и опять уменьшим барьер. Так постепенно в нашей ловушке останутся только самые медленные, самые холодные атомы, если там, конечно, вообще что-нибудь останется.

Надо отдать должное искусству экспериментаторов. Им удалось проделать эту деликатную процедуру, сохранив при этом достаточно атомов, чтобы увидеть завораживающую картину бозе-эйнштейновской конденсации.

Вот уже несколько лет большинство усилий ученых сосредоточено на фундаментальных исследованиях бозе-эйнштейновского конденсата, но и практические идеи не заставили себя ждать. Мы уже упоминали о том, что бозе-конденсат обладает таким же важным отличительным свойством, как и лазерный луч, — когерентностью (проще говоря, тождественностью всех своих элементов). Потому устройство, которое будет испускать пучок атомов в состоянии бозе-конденсата, получило название «атомный лазер». Впервые о построении атомного лазера объявили в 1996 году физики из Массачусетского технологического института, а в 1999 году ученые из Института Макса Планка в Германии продемонстрировали устройство, где испускался когерентный пучок атомов рубидия длительностью около 100 мс.

Пучок ультрахолодных атомов из атомного лазера удается сфокусировать с точностью до одной миллионной миллиметра. Это позволит буквально «выкладывать» из атомов тончайшие конструкции и создавать наноструктуры на поверхностях. С помощью атомного лазера можно будет сконструировать фантастически точные атомные часы и гироскопы для навигационных систем.

А еще есть надежда, что новые технологии дадут возможность в земных условиях проверить выводы общей теории относительности. Может, на это и рассчитывал мудрый Эйнштейн?