Ирина Радунская - Проклятые вопросы
Охота за тайнами низких температур в полном разгаре.
ПОЧЕМУ ВОЗНИКАЕТ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ?На предыдущих страницах мы познакомились с историей сверхпроводимости. Замечательным открытием, порождённым извечной любознательностью человека.
«Что будет, если…» — подумал Каммерлинг-Оннес и погрузил сосудик с ртутью в жидкий гелий. И был вознаграждён. Он совершил одно из величайших открытий, обнаружил неведомое. Сверхпроводимость! Он заслуженно получил Нобелевскую премию, но около полувека никто не знал, почему и как вещество внезапно теряет электрическое сопротивление.
В 1935 году физик-теоретик Ф. Лондон предположил, что сверхпроводимость обусловлена квантовыми свойствами вещества. Так впервые была высказана мысль о том, что учёт квантовых закономерностей, управляющих процессами микромира, иногда определяет и закономерности явлений макромира, в которых участвуют большие коллективы микрочастиц. Он указал, что кусок металла в состоянии сверхпроводимости ведёт себя как огромная молекула. При обычных температурах электроны хаотически и независимо движутся внутри металла. При кратковременном присоединении к нему источника напряжения они приобретают дополнительное коллективное движение. Но оно быстро прекращается вследствие того, что каждый электрон взаимодействует с атомами металла независимо. Результатом является только небольшое нагревание куска металла из-за усиления хаотических тепловых колебаний.
При низкой температуре квантовые свойства вещества допускают объединения электронов в общий коллектив. При этом для отдельного электрона, входящего в коллектив, изменение движения, вызванное его индивидуальным взаимодействием с отдельным атомом, невозможно. А весь коллектив «не реагирует» на такое «индивидуальное» взаимодействие. Здесь входит в действие принцип, действующий в разнообразных ситуациях: в единении сила, в разобщённости слабость.
Фриц Лондон и его брат Гейнц придумали формулы, описывающие главные особенности сверхпроводимости, обусловленной коллективным состоянием электронов. Затем они изучили взаимосвязь между сверхпроводимостью и магнитным полем. Сумели применить сверхпроводимость для создания сильных магнитных полей. Но вопросы — почему и как возникает коллективное состояние электронов? — оставались без ответа. Итог этому раннему периоду в понимании явления сверхпроводимости подвели в 1950 году Гинзбург и Ландау. Они обобщили теорию братьев Лондонов и создали эффективную феноменологическую (описательную) теорию, объясняющую сверхпроводимость как сверхтекучий поток электронов в веществе.
Первый шаг к пониманию деталей, приводящих к возникновению сверхпроводимости, сделал в 1956 году американский физик Л. Купер. Возможно, его подвели к этому идеи советского физика И. Е. Тамма, предположившего, что между двумя одинаковыми частицами может возникнуть притяжение, если они обмениваются между собой третьей частицей. Наглядной иллюстрацией (не имеющей реальной общности с явлениями микромира) могут служить два человека, по очереди кидающие друг другу мяч. Первый кинул — второй поймал. Второй кинул — первый поймал. Издали, когда мяч не виден, создаётся впечатление, что на этих людей действуют какие-то силы, не дающие им далеко отойти друг от друга и мешающие сблизиться вплотную.
Тамм хотел объяснить на этом примере, как возникают силы, удерживающие ядерные частицы внутри ядра, отведя роль «мяча «электрону. Однако расчёт показал, что обмен электронами не связан с силами, действующими в ядре.
В 1935 году японский физик X. Юкава сделал смелый шаг. Он предположил, что ядерные частицы обмениваются не электронами, а другими частицами, примерно в 200 раз более тяжёлыми, чем электрон. Но в то время такие частицы были неизвестны науке. Цифра «200» возникла из требования, чтобы теория соответствовала результатам опыта. Недостаток места не позволяет рассказать здесь увлекательную историю открытия мезона (так назвал Юкава свою гипотетическую частицу). Говоря коротко, первой была открыта частица с массой, примерно соответствующей предсказанию Юкавы, но, как оказалось впоследствии, не имевшая отношения к ядерным силам. Позже мезон Юкавы был обнаружен английским физиком С. Ф. Пауэллом.
Купер предположил, что электроны, участвующие в образовании электрического тока в металлах, тоже действуют по описанной нами схеме: они тоже могут обмениваться между собой своеобразным мячом. Это фононы — кванты звука. Это не частицы, а квазичастицы, вошедшие в науку, когда физики начали углублять теорию распространения звука в кристаллах. Для этого пришлось обратиться к квантовой физике, а она к тому времени установила, что частицы микромира ведут себя в различных опытах то как волны, то как частицы.
В кристаллах, в том числе и в металлах, фононы тесно связаны с колебаниями атомов, образующих кристалл. Эти колебания, как ещё в 1912 году показал немецкий физик П. Дебай, порождают в кристаллах целый набор волн, напоминающих звуковые волны.
Фононы связаны с волнами, реально существующими в кристаллах, подобно тому, как кванты света — фотоны — связаны со световыми волнами. Фононы как бы сигнализируют о колебаниях атомов кристалла вокруг положения равновесия. Фононы могут взаимодействовать с атомами, образующими решётку кристалла, и между собой. Таким образом возникают многообразные явления в кристаллах.
Купер показал, что между двумя электронами, обменивающимися между собой фононами, возникают особые силы притяжения. Он предположил, что при очень низких температурах, когда тепловые движения слабы, силы, возникающие между электронами при обмене фононами, могут пересилить взаимное отталкивание одноимённых отрицательных зарядов электронов, и электроны объединятся в пары. Но они не могут слиться между собой, как не могут сблизиться вплотную люди, играющие мячом. Переходя от аналогии к существу дела, следует учесть, что силы электростатического отталкивания одноимённых зарядов электронов, чрезвычайно быстро растущие при уменьшении расстояния между электронами, уравновешивают силы притяжения, возникающие при обмене фононами.
Равновесие достигается уже при сравнительно больших расстояниях между электронами, объединившимися в пару. (Это играет большую роль в явлении сверхпроводимости.)
Далее, рассуждал Купер, нужно принять во внимание, что в металле имеется множество электронов, участвующих в передаче электрического тока. При достаточно низкой температуре все они объединятся в пары.
Если хаотические тепловые движения атомов кристалла столь малы, что они не разрушают пары связанных между собой электронов, то эти пары не замечают атомов, образующих кристалл. Они единым потоком перемещаются внутри кристалла, не ощущая сопротивления, испытываемого одиночными электронами. В этом явлении неожиданно возникает общность и аналогия сверхпроводимости и сверхтекучести.
Совокупность куперовских пар (так учёные называют пары электронов, объединённых между собой в результате обмена фононами) перемещается внутри металла подобно тому, как сверхтекучая жидкость протекает через мельчайшие отверстия сита. В этом состоит упомянутая выше глубокая общность сверхпроводимости и сверхтекучести. И то и другое описывает перемещение потока частиц при сверхнизких температурах. И то и другое разрушается под влиянием нагревания выше некоторой температуры, вполне определённой для каждого вещества.
Но есть и отличия: сверхтекучесть — очень редкое явление. Оно существует только у жидкого гелия, у гелия-4 при температуре ниже 2,17К и у гелия-3 при температуре ниже 0,026К, причём гелий-3 становится сверхтекучим только при высоком давлении — оно более чем в 34 раза превышает нормальное давление атмосферы. Напротив, сверхпроводимость наблюдается во многих металлах, сплавах и соединениях, причём для каждого существует своя температура, при которой они становятся сверхпроводниками.
Только осознав это, учёные вспомнили, что ещё в 1947 году Н. Н. Боголюбов утверждал, что при низких температурах спектр коллектива микрочастиц обладает теми же свойствами, что и спектр сверхтекучего гелия.
В 1957 году А. А. Абрикосов, получивший вместе с Гинзбургом в 2003 году Нобелевскую премию, опубликовал теорию сверхпроводимости, описывающую поведение особого класса сверхпроводников, впервые обнаруженных за двадцать лет до того Л. В. Шубниковым. Опираясь на теорию Гинзбурга — Ландау, он предсказал, что сверхпроводящее состояние этих материалов объясняется возникновением в них сверхпроводящих «нитей», каждая из которых несёт один квант потока энергии. В то время работа Абрикосова не привлекла внимания учёных, но теперь она является основой для понимания свойств этого класса сверхпроводников.
В том же году (вскоре после того как Купер высказал мысль о том, что в сверхпроводниках электроны объединяются в пары) группа американских физиков, Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер, на основе представлений о куперовских парах построила теорию сверхпроводимости, позволившую производить вычисление многих характеристик сверхпроводящих металлов и сплавов.
