Возвращение к истокам: Нобелевская премия

Так уж сложилось, что российские физики ровно половину своих Нобелевских премий получили за вклад в изучение свойств веществ при низких температурах. Тут невольно приходят на ум традиционные русские морозы. Но если говорить серьезно, то развивавшая это направление лаборатория, основанная Петром Леонидовичем Капицей в 30х годах прошлого века, долгое время была одной из ведущих в мире. Сам Капица получил Нобелевскую премию в 1978 году «за основополагающие работы в области физики низких температур», что на самом деле означает ни много ни мало как открытие явления сверхтекучести в 1938 году. А один из наших знаменитых теоретиков Лев Давидович Ландау в 1962 году был отмечен Нобелевской премией «за создание новых теорий для описания конденсированных сред, в особенности жидкого гелия».

Виталию Лазаревичу Гинзбургу и Алексею Алексеевичу Абрикосову Нобелевская премия этого года присуждена за теоретические работы полувековой давности. Разработанные ими теории позволили в то время серьезно продвинуться на пути объяснения сверхпроводимости, а по прошествии 50 лет не только не потеряли своей актуальности, но и оказались востребованными в связи с появлением новых материалов. Третий лауреат Нобелевской премии по физике 2003 года — британец Энтони Леггетт. В 70х годах он сформулировал и обосновал теорию, которая объяснила, как атомы гелия3 взаимодействуют и распределяются в сверхтекучем состоянии. Эта чрезвычайно интересная проблема непосредственно связана с не решенными до сих пор задачами об образовании хаоса и турбулентности. Однако нельзя объять необъятное, и в этой статье мы ограничимся рассказом о сверхпроводимости — точнее, о теоретических достижениях в этой области, за которые в 2003 году получили премию российские ученые.

Сверхпроводимость исследуют уже почти сто лет, после того как голландец Хейке Камерлинг-Оннес наблюдал это необычное явление в 1911 году. Начав с исследований платины и золота, он вскоре перешел к опытам с ртутью, которую по тем временам было гораздо проще очистить от примесей. И вот в одном из первых же экспериментов электрическое сопротивление ртути, охлажденной до температуры около 4 К, вдруг исчезло совсем, стало просто равно нулю с той точностью, с которой на тот момент его можно было измерить. Поначалу считали, что сопротивление при сверхпроводимости просто очень и очень мало, но постепенно пришли к выводу, что это совершенно особое состояние вещества. Возьмем для сравнения колечко из очень хорошего проводника (например, чистой меди), по которому течет электрический ток. Не пройдет и микросекунды после выключения источника, как ток в таком кольце полностью исчезнет. А если создать ток в сверхпроводящем кольце, он будет течь там практически сколь угодно долго, пока мы это кольцо не нагреем или не приложим магнитное поле, достаточное для разрушения сверхпроводимости. И это не догадки, а экспериментальный факт. За целый год наблюдений даже самые чувствительные приборы не смогли зарегистрировать ни малейших признаков уменьшения величины тока, текущего в изолированном от всяческих источников сверхпроводящем кольце!

После открытия сверхпроводимости, вслед за ртутью были изучены разные металлы-сверхпроводники, их свойства и поведение в магнитном поле. Шли десятилетия, накапливался экспериментальный материал, но никакого теоретического обоснования найти не удавалось. В 1933 году известный физик Бете писал: «Насколько велики успехи теории при объяснении нормальных явлений проводимости, настолько же мало удалось до настоящего времени сделать в отношении решения задачи о сверхпроводимости». Такой теоретический вакуум существовал до 1950 года, пока наконец Гинзбургу и Ландау не удалось сделать первый важный шаг на пути объяснения удивительных свойств материалов при низких температурах.

К середине 30х годов в научном сообществе уже вполне сложилось мнение, что сверхпроводимость — квантовое явление и требует для своего описания привлечения законов квантовой механики. Гинзбург и Ландау не только лучше всех справились тогда с этой задачей, но и проявили незаурядную научную интуицию, которая позволила им выдвинуть предположение, оказавшееся в итоге ключом к пониманию природы сверхпроводимости. Как известно, электрический ток — не что иное, как движение электронов. Можно подойти к этому вопросу с микроскопических позиций: отдельно рассматривать движение каждого электрона и его взаимодействие с атомами решетки, среди которых он перемещается, а затем статистически суммировать свойства всех электронов, которые участвуют в создании тока. А Гинзбург и Ландау в своей теории ввели одну макроскопическую функцию, считая поведение всех сверхпроводящих электронов согласованным (или, как говорят физики, когерентным). И хотя теория Гинзбурга — Ландау не давала ответа на вопрос о том, почему такая согласованность возникает, она позволила объяснить большинство экспериментальных результатов и предсказать многие красивые эффекты сверхпроводимости и свойства сверхпроводящих пленок.

Интересно, что в теории Гинзбурга — Ландау среди множества параметров был один, имеющий размерность электрического заряда, по поводу которого у авторов так и не сложилось единого мнения к моменту публикации статьи в 1950 году. Несколько позже, сравнив выводы теории с имевшимися на тот момент экспериментальными данными по сверхпроводимости, Гинзбург пришел к выводу, что эта величина составляет примерно два-три заряда электрона. Но окончательно смысл ее стал ясен только после создания микроскопической квантовой теории сверхпроводимости БКШ (по имени авторов — Бардин, Купер и Шриффер, — получивших Нобелевскую премию в 1972 году). Все дело оказалось в образовании пар из двух электронов, так называемых «куперовских пар». После создания теории БКШ было показано, что тот самый параметр теории Гинзбурга — Ландау в точности равен двойному заряду электрона. «Любопытно, — вспоминает Гинзбург, — что такая простая, казалось бы, мысль никому не пришла в голову — в частности, ни мне, ни Ландау».

Несомненно, высшая оценка теории — признание со стороны экспериментаторов. Вот мнение одного из ведущих специалистов по сверхпроводимости профессора Гарвардского университета Майкла Тинкхама: «Теория Гинзбурга — Ландау ныне всемирно признана как блестящее достижение физической интуиции. Она в самой простой форме выражает макроскопическую квантово-механическую природу сверхпроводящего состояния и имеет решающее значение для понимания уникальных электродинамических свойств этого состояния». В наши дни теория Гинзбурга — Ландау активно используется в физике сверхпроводников для расчетов в условиях сильных магнитных полей. Она оказывается применима ко многим другим областям, включая физику элементарных частиц и теорию струн. И именно она полвека назад послужила отправной точкой для создания Абрикосовым теории другого класса материалов — сверхпроводников второго рода.

Сверхпроводники удивительны не только своими электрическими, но и магнитными свойствами. Уже через год после открытия сверхпроводимости было обнаружено, что это состояние можно разрушить, не только нагревая образец, но и помещая его в сравнительно слабое магнитное поле. Поле, при котором разрушается сверхпроводимость, назвали критическим. В 1933 году Мейснер и Оксенфельд на опыте показали, что если внешнее магнитное поле меньше критического, оно не проникает внутрь сверхпроводника и всегда в нем равно нулю, как и электрическое сопротивление. Но прошло совсем немного времени, и были найдены сверхпроводники с другими свойствами, в которых магнитное поле все же присутствует, но в чрезвычайно странной форме. Первыми, в 1935—1936 годах, о подобных наблюдениях сообщили физики из Харькова, работавшие под руководством Л.В. Шубникова. Пришлось усложнить задачу и разделить сверхпроводники на два сорта. Одни, в которых магнитное поле в сверхпроводящем состоянии всегда остается равным нулю, получили название сверхпроводников первого рода. К ним относятся все сверхпроводящие металлы, кроме ниобия. А другие стали называться сверхпроводниками второго рода — это ниобий и все известные сверхпроводящие сплавы и химические соединения.

Впервые термин «сверхпроводник второго рода» ввел Абрикосов в своей классической работе 1957 года. Он нашел настолько необычное решение уравнения Гинзбурга — Ландау, что три года не решался опубликовать свои результаты. Да и после публикации к этой работе поначалу отнеслись с недоверием. И лишь через несколько лет, когда экспериментаторы наконец убедились, что сложное поведение сверхпроводящих сплавов в магнитном поле соответствует теории Абрикосова, она получила всеобщее признание.

Явление, теоретически предсказанное Абрикосовым для сверхпроводников второго рода, называют «вихрями Абрикосова». Внешнее магнитное поле проникает в такие сверхпроводники весьма своеобразно: когда оно становится достаточно сильным, в материале начинают формироваться нити (вихри) в виде узких цилиндров, где вещество находится в нормальном, несверхпроводящем состоянии, а вокруг этих нитей по-прежнему течет сверхпроводящий ток. Если и дальше увеличивать магнитное поле, число вихрей с нормальным состоянием становится все больше и больше. В конце концов места для сверхпроводимости не остается, и она исчезает.

Подобно тому как силовые линии магнитного поля от обычного магнита можно «проявить» с помощью металлических опилок, есть возможность увидеть и вихри Абрикосова. Только для этого требуются более изящные эксперименты. Один из первых таких опытов проделали в 1967 году немецкие физики Эссман и Тройбл. Они нанесли тонкую органическую пленку на торцевую поверхность сверхпроводящего цилиндра из сверхпроводника второго рода и перевели его в смешанное состояние, приложив магнитное поле. После этого на торцевую поверхность был напылен тонкий слой ферромагнитного порошка. Частицы порошка более густо оседали на поверхность в местах скопления магнитных силовых линий — в центрах вихрей. Отделив затем органическую пленку от сверхпроводника и поместив ее в электронный микроскоп, ученые получили возможность полюбоваться удивительной решеткой из вихрей.

Теоретическая работа Абрикосова предопределила развитие целого направления в физике сверхпроводников. Ведь сверхпроводники второго рода могут оставаться сверхпроводящими в очень сильных магнитных полях и, как выяснилось позже, при более высоких температурах. Именно к этим материалам приковано в последние несколько десятилетий всеобщее внимание, поскольку среди них удалось обнаружить так называемые «высокотемпературные сверхпроводники». Чтобы перевести такие соединения в сверхпроводящее состояние, уже не требуется жидкий гелий,

а вполне достаточно гораздо более дешевого и доступного жидкого азота.

В наши дни сверхпроводящие элементы — неотъемлемая часть самых точных приборов для измерения малых напряжений и магнитных полей, без них невозможно создать высокочувствительные детекторы излучений и сверхсильные магниты. Сверхпроводники лежат в основе устройств для магнитно-резонансной томографии, поскольку обладают достаточной чувствительностью, чтобы зафиксировать изменения магнитных полей головного мозга, в тысячи раз более слабые, чем окружающее нас магнитное поле Земли. Но один барьер все же никак не удается преодолеть — необходимость создавать и поддерживать очень низкие температуры. Несмотря на колоссальные усилия и финансовые затраты, поиск высокотемпературных сверхпроводников продвигается с большим трудом. Он больше напоминает стрельбу по мишени в темной комнате, поскольку теоретического объяснения свойств таких соединений пока не найдено. Но как только теория и эксперимент и здесь придут наконец к взаимному согласию, мы, без сомнения, станем свидетелями новой научно-технической революции.