Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля
Разные аллотропические формы одного и того же элемента могут иметь разные критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние и разное критическое магнитное поле.
Но продолжим наш «парад».
К Т Индий 3,4 0,03 Иридий 0,14 0,002 Кадмий 0,55 0,003 Лантан 4,8 0,08 6,0 0,16 Молибден 0,92 0,01 Ниобий 9,2 0,2 Олово 3,72 0,03 5,3 Осмий К Т 0,65 0,006 Протактиний 1,3 — Рений 1,7 0,02Следующий элемент мог бы по праву занять место правофлангового. Ведь именно с него началась история сверхпроводимости.
К Т Ртуть 4,15 0,04 3,95 0,03Замыкают нашу «колонну»:
К Т Рутений 0,5 0,007 Свинец 7,2 0,08 Таллий 2,39 0,002 Тантал 4,49 0,08 Технеций 7,8 0,14 Титан 0,39 0,01 Торий 1,37 0,016 Уран 0,2 - Цинк 0,9 0,005 Цирконий 0,55 0,0047У читателя, впервые ознакомившегося со списком сверхпроводящих элементов, может мелькнуть мысль, что в нем кое‑что пропущено.
Действительно, где такой элемент, как серебро, удельное сопротивление которого меньше, чем у всех других веществ? А где медь, которая благодаря своему низкому электрическому сопротивлению является прекрасным материалом для электрических проводов? А золото?..
Но увы! По данным, которыми располагают ученые сегодня, ни серебро, ни медь, ни золото, ни некоторые другие металлы и сплавы, являющиеся хорошими проводниками при комнатной температуре, никаких признаков сверхпроводимости не проявляют даже при охлаждении до сколь угодно низкой, доступной нам температуры.
Кроме рассмотренных элементов, существуют и другие, более «привередливые» сверхпроводники. Им низкой температуры мало! Для перевода в сверхпроводящее состояние одновременно с охлаждением их необходимо подвергнуть давлению. К таким сверхпроводникам относятся, например, германий и кремний.
В 1933 году ученый мир потрясло открытие в области сверхпроводимости, сделанное берлинскими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфель- дом, получившее название эффекта Мейснера.
Чтобы понять сущность эффекта Мейснера, вспомним, что обычный металл, находящийся в магнитном поле, пронизывается силовыми линиями магнитного поля.
Иная картина наблюдается у сверхпроводящего металла, помещенного в слабое магнитное поле. При температуре ниже критической силовые линии магнитного поля полностью выталкиваются из сверхпроводника. Индукция поля в толще сверхпроводника равна нулю. В этом и заключается эффект Мейснера.
Эффект Мейснера: 1 — при температуре выше критической магнитные силовые линии пронизывают толщу сверхпроводника; 2 — при температуре ниже критической магнитные силовые линии выталкиваются из толщи сверхпроводника.
Изучая эффект Мейснера, следует обратить внимание на то, что магнитная индукция равна нулю именно в толще сверхпроводника. В его поверхностном слое толщиной от 10 до 100 нанометров (один нанометр равен одной миллиардной доли метра) возникает постоянный электрический ток, текущий без сопротивления.
Собственное магнитное поле тока, текущего в поверхностном слое сверхпроводника, противоположно внешнему магнитному полю. Происходит полная компенсация, что приводит к нулевому значению индукции поля в толще сверхпроводника.
Представьте себе сверхпроводящую свинцовую чашу с жидким гелием.
Магнитик парит над сверхпроводящей чашей, подобно гробу Магомета из старинного предания.
Вы опускаете в чашу закрепленный на цепочке небольшой брусковый магнит.
Ниже… Еще ниже. Постепенно словно какая‑то неведомая сила подхватывает магнитик, и он уже самостоятельно «парит» над чашей.
В чем причина этого явления?
Магнитное поле магнитика индуцирует незатухающий ток на поверхности сверхпроводящей свинцовой чаши, который в свою очередь возбуждает магнитное поле. По закону Ленца это поле стремится оттолкнуть магнитик. Когда сила отталкивания сравнивается с силой тяжести, магнитик начинает парить в воздухе.
Этот остроумный эксперимент, впервые в мире проведенный в 1945 году профессором Московского государственного университета Владимиром Константиновичем Аркадьевым, получил шуточное название «гроб Магомета», по аналогии со старинной легендой о гробе Магомета, который парил в воздухе без всякого подвеса.
Впрочем, настоящий гроб Магомета вряд ли мог парить над сверхпроводящей свинцовой чашей, каких бы она ни была размеров. Чем больше вес магнита, тем более сильное магнитное поле должно его удерживать, а читатель уже знает, что существует критическая величина напряженности магнитного поля, при которой сверхпроводимость разрушается, и эта величина для свинца достаточно мала.
Сверхпроводящее кольцо, по которому протекает незатухающий ток, оказалось «заколдованным кругом». Увеличение тока развеивало «чары» сверхпроводимости.
Это было очень досадно, и исследователи продолжали «колдовать» над сверхпроводимостью.
В начале 30–х годов иностранным ученым, работающим в области низких температур, стало известно, что наряду с такими центрами криогенной техники, как Лейден, Кембридж, Берлин, существует и… Харьков.
Здесь в марте 1931 года при Украинском физико — техническом институте по инициативе и с участием его директора, выдающегося советского физика, впоследствии академика, Ивана Васильевича Обреимова, была организована первая в Советском Союзе специализированная криогенная лаборатория.
Ее возглавил молодой физик Л. В. Шубников.
Лев Васильевич Шубников родился 29 сентября 1901 года в Петербурге. В 1926 году он окончил Ленинградский политехнический институт, получив квалификацию инженера — физика.
Еще в студенческие годы Шубников проявил незаурядные способности к проведению исследовательских работ. После окончания института его направляют по путевке Наркомпроса в Лейденскую криогенную лабораторию имени Камерлинг — Оннеса.
С трепетом переступил молодой исследователь порог этого старинного центра криогенной техники, где свято хранились традиции его основателя, человека, первым вступившего в область абсолютного нуля температуры.
Как здесь встретят вчерашнего студента, приехавшего познавать азы криогенной техники?
Шубников совместно с голландским физиком Де Хаазом приступил к исследованиям электрических свойств кристалла висмута в магнитном поле при низких температурах. Они открыли новое, ранее неизвестное явление — периодическое изменение электрического сопротивления висмута в зависимости от магнитного поля. Это явление получило название «эффект Шубникова — Де Хааза».
