А. Варламов. Сверхпроводимость. Часть 2

23.08.2018

После обнаружения изотопического эффекта стало ясно, что сверхпроводимость – это явление, которое связано не только с электронной системой, но вовлекает в себя и решетку. Этот эксперимент оказался определяющим для развития микроскопической теории сверхпроводимости, то есть истинной теории. В это время, в 1950-м году, тот же Лев Ландау вместе с Виталием Гинсбургом создают усовершенствованную, совершенно другую замечательную феноменологическую теорию сверхпроводимости. Они уже не говорят о сверхпроводящих электронах и вообще они не говорят в терминах частиц. Они говорят о некоторых полях, и это характерно для квантовой механики.

Они осознали, что сверхпроводимость это есть квантовое явление. Они не понимают до конца, о каком поле они говорят, тем не менее, они выписывают замечательные уравнения, которые описывают поведение некоторого поля, соответствующего сверхпроводимости. С помощью этих двух уравнений на параметр порядка и на электромагнитное поле плюс граничные условия им удается сразу же объяснить широкий круг явлений, но у них имеются некоторые параметры в этой задаче. Пока не до конца все ясно – это феноменологическая теория. Но, как выяснилось, это была совершенно гениальная догадка, потому что, не понимая до конца, что там происходит, они угадали форму уравнений, описывающих сверхпроводники в очень важных случаях. Эта теория была сразу же признана, она объяснила большой круг необходимых явлений и она наложила некоторые ограничения: был некий параметр, который, как было сказано, должен быть не больше, чем единица на корень из двух.

В это время американцы разрабатывают микроскопическую теорию, и с помощью открытия изотопического эффекта Леон Купер придумывает, как можно объединить два электрона, не смотря на то, что они отталкиваются в единую куперовскую пару, как мы сегодня говорим. Он говорит: «Да, есть кулоновское отталкивание». Это кулоновское отталкивание – очень дальнодействующее, оно не дает электронам жить вместе. Но не забывайте, что электроны живут не в вакууме, они живут в решетке, где много других электронов и в то же время есть ионы-атомные остовы. Поэтому в целом система электронейтральна и кулоновское отталкивание не так страшно. Помимо этого предлагается качественно новое взаимопритяжение : два электрона, далеко находящиеся друг от друга, взаимодействуя с решеткой, могут притянуть друг друга. Это взаимодействие происходит благодаря обмену фононом. Как это можно понимать? Грубо это можно понять так. У вас есть решетка, она колеблется. В одном месте электрон, взаимодействуя с решеткой, приобретает скорость в направлении икс, а в другом электрон, взаимодействуя с решеткой (но решетка при этом двигалась в другом направлении), получает направление в сторону первого электрона. Это очень трудно объяснить на пальцах, это чисто квантовое явление. Но нужно понимать, что куперовские пары – это совсем не планетарные системы. Шрифер, один из создателей микроскопической теории сверхпроводимости, привел очень красивый пример. Как устроен атом? Есть ядро, есть электрон – вот вам атом водорода. Эта пара как бы приходит на танцы и танцует танго или вальс. Или молодежь приходит на дискотеку, парень с девушкой начинают танцевать, при этом они могут быть разделены в коллективном танце на десятки партнеров, но весьма вероятно, что уйдут они снова вместе, то есть они помнят о том, что пришли вместе. То есть имеется корреляция. И вот куперовские пары – это пары среди миллиардов электронов, но два электрона с импульсом по икс и минус икс, с равными, но противоположными минусами знают, что они скореллированы. Именно эти пары умеют переносить заряд без рассеивания. Все эти рассуждения, в конце концов, кончились тем, что в 1957 году Бардин, Купер и Шрифер, американские физики, создали последовательную микроскопическую теорию сверхпроводимости, где они написали очень сложные уравнения, описывающие все, что происходит. Физика сводилась к следующему: выше точки перехода в металле у нас имеются электроны, которые живут своей электронной жизнью – они проводят, рассеиваются на примесях, имеется сопротивление – все замечательно. Они отталкиваются по закону Кулона, экранированному как в плазме из-за того, что кусок металла электронейтрален. Есть их фононное притяжение, но их фононное притяжение недостаточно для того, чтобы изменить жизнь электронов. По мере того, как вы понижаете температуру, роль электроннофононного взаимодействия вырастает. И в некий момент эффективное взаимодействие – фононное плюс кулоновское – становится отрицательным. Электроны начинают эффективно притягиваться, перестраивается основное состояние – и у вас уже электроны, жизнь которых чуть-чуть изменилась, но появились куперовские пары. Все эти куперовские пары, их много, образуют единый конденсат. Этот конденсат и напоминает конденсат атомов гелия в сверхтекучести. Вот по этому конденсату можно передавать заряд без потерь тепла. Но этот конденсат живет при низких температурах и боится магнитного поля.

Первое важное препятствие было преодолено российским ученым Алексеем Абрикосовым, который в 1957 году пишет свою знаменитую уже сегодня работу, за которую в 2003 году он вместе с Гинзбургом получил Нобелевскую премию. Абрикосов взял уравнение Гинзбурга–Ландау и задал себе вопрос, как быть. Есть у нас параметр теории – каппа (ϰ), который, как сказано, меньше единицы на корень из двух, иначе не получается такая сверхпроводимость, которая нам всем известна. А что же будет, если все же этот параметр сделать больше, чем единица на корень из двух? И он нашел совершенно замечательное решение. Вся идеология раньше была такая, что сверхпроводник должен вытолкнуть магнитное поле, и для этого нужно было, чтобы ϰ была меньше единицы на корень из двух. Абрикосов сказал, что «давайте его пустим, но пустим в форме вихрей». Сегодня эти вихри называются абрикосовскими вихрями. То есть мы возьмем сверхпроводник, пустим магнитное поле вихрями, но между ними останутся сверхпроводящие дорожки. Поэтому пускайте, сверхток будет ходить между этими вихрями и чем сильнее поле, тем больше будет вихрей и наконец наступит такое большое поле, что эти вихри начнут давиться, сверхпроводящие дорожки пропадут, и наступит окончательное нормальное состояние.

Эта работа Абрикосова открыла путь практическим применениям явления сверхпроводимости. Один из барьеров, отделяющих теорию сверхпроводимости и красивый эксперимент от применения, был преодолен. Дальше были долгие попытки найти как же повысить критическую температуру. До 1986 года были разные предложения. Над этим работали тысячи ученых и уже была теория, когда в 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость. Сначала это было 36 градусов, приложили давление – стало 53. Это было найдено в очень неприятных соединениях, в керамике. И вообще логика развития событий тут противоестественная потому, что Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость в чистой ртути, а Абрикосов сказал, что если мы хотим иметь практическое применение , то нужно пачкать металлы, чем грязнее, тем лучше, чем короче длина пробега между примесями, тем выше магнитные поля. И, наконец, и высокие магнитные поля, и высокие критические температуры были найдены вообще в керамиках. Это были соединения типа лантан-барий-медь оксид, то есть это были оксидные вещества. Сейчас за двадцать лет изучения мы научились делать гораздо лучше вещества, и критические температуры буквально повысились за месяцы после открытия, потому что важна идея. Через полгода Пол Чу в Америке повысил температуру до 93 градусов. Представьте себе, семьдесят пять лет люди работали и сумели повысить температуру от первых 4-х градусов до 23-х, а тут за 6 месяцев от 36-ти до 93-х. Далее создали висмутовые керамики, и температура повысилась до 120-ти градусов. И, наконец, сегодня рекордсменом являются снова ртутные соединения, которые под высоким давлением имеют критическую температуру 165 градусов Кельвина, что уже лучше говорить в Цельсиях – минус 108 градусов. Это хороший холодильник на мясокомбинате может быть держит. Рекорд холода в Антарктиде – минус 70, то есть не так уж мы и далеко от комнатных температур.

Сейчас есть некое разочарование. Потому что двадцать лет назад, в 1986 году были большие надежды на то, что мы с помощью высокотемпературных сверхпроводников сумеем реализовать и накопители энергии, и передачу энергии на большие расстояния, и создать маглев, поезда на магнитной подушке, которые будут нестись со скоростью 500-600 км/ч и т.д.

К сожалению и провода есть, сделали провода, и есть даже некоторые работающие приборы, и, тем не менее, те обещания и надежды, которые были, на сегодняшний день они еще не реализованы. Но обрушены барьер – боязнь сильных магнитных полей. И сегодня мы видим, что нет реальных ограничений на ТЦ. Мы не нашли таких проводников, которые работают при комнатной температуре, но тем не менее теоретические запреты, которым меня учили в университете, пали. Люди работают в этом направлении и, я думаю, недалек тот день, когда будет сверхпроводник при комнатной температуре.