Проклятые вопросы
Шрифт:
Таким образом, одной из особенностей низких температур является несовместимость сильного магнитного поля и состояния сверхпроводимости.
Поэтому железо, которое является материалом магнитным, никак не может стать сверхпроводником. Разве только железо немагнитное… Но возможно ли такое в природе?
Правда, немагнитное железо в нагретом состоянии никого бы не удивило. Французский учёный Пьер Кюри давно заметил: нагретое выше определённой температуры железо всегда теряет магнитные свойства. Температура, при которой размагничиваются стальные магниты, называется точкой Кюри. Она лежит выше 700 °C. Но немагнитное железо в холодном состоянии!
И всё-таки учёные получили его, получили вопреки научной логике, наперекор природе. Произошло это в Ленинградском физико-техническом институте Академии наук СССР в лаборатории низких температур.
Поначалу не обошлось без сомнений. Вряд ли это возможно, говорили многие видавшие виды учёные, прочтя публикацию о получении сверхпроводящего железа. И как винить их за скептицизм? Сомнения поддерживал многовековой человеческий опыт.
…Люди издавна привыкли к замечательному свойству железа образовывать вокруг себя магнитное поле и подчиняться ему. Стрелка компаса, послушная магнитным силовым линиям Земли, смотрит одним концом на север. Да и каждый атом железа подобен такой стрелке, на одном конце таящей свой миниатюрный северный полюс, а на другом — южный.
В теле железа можно натолкнуться на маленькие области, в которых целые полчища магнитиков выстроены в строгом порядке. Все северные полюсы их смотрят в одном направлении, южные — в противоположном. Магнитные силы стрелочек складываются, и в этом маленьком участке образуется чрезвычайно сильное магнитное поле. Такие области названы доменами, и в каждом куске железа их множество.
Но есть области, где все магнитики так же дружно «смотрят» совсем в другую сторону. По всей толще большого и маленького куска железа чередуются магнитные области, ориентированные самым хаотическим образом. Магнитные поля внутри отдельных доменов очень сильны, но сами домены ориентированы совершенно хаотически и в среднем уравновешивают друг друга, поэтому силовые линии не выходят на поверхность металла. Вот почему как сильно ни охлаждать кусок железа, сверхпроводником он не станет: сверхпроводимость разрушается сильными внутренними магнитными полями, всегда существующими в отдельных доменах.
Но физики-теоретики, которым ничего не стоит в своём воображении оставить от куска железа совсем крошечный кусочек, тоненькую плёночку или даже просто горсть атомов, а потом с помощью формул и уравнений ощупать их, заглянуть в самую суть, и на этот раз выведали у железа секрет его сверхпроводимости.
Они рассуждали примерно так. Крошечные атомы-магнитики в куске железа не закреплены намертво. Под влиянием различных сил они свободно поворачиваются друг относительно друга. Но управлять ими в куске металла очень трудно. Они дружно, всем коллективом, образующим домен, противодействуют внешним влияниям.
А если атомы железа осторожно, один за другим «наклеивать» на очень холодную поверхность? Ведь тогда они накрепко примёрзнут к своим местам и не смогут объединять свои слабые магнитные поля в единое поле домена. Вот тут-то, пожалуй, и можно получить несколько слоёв атомов немагнитного железа. Чтобы атомы, не успев повернуться, примёрзли к пластинке, её надо охладить до температуры жидкого гелия. Значит, если плёнка будет немагнитной, она вполне может при такой температуре стать сверхпроводящей.
Лазейка для примирения магнитного железа и сверхпроводимости была найдена. Оставалось провести очень тонкий и весьма сложный эксперимент: получить
Попытки получить тот же результат при охлаждении плёнки железа, первоначально нанесённой на тёплую поверхность, не увенчались успехом.
Даже нанесение плёнки на холодную поверхность надо проводить медленно и осторожно. При повышении температуры эти плёнки разрушаются и, отделяясь от стеклянной поверхности в виде тончайших чешуек, осыпаются. По-видимому, при нанесении атомов железа на холодную поверхность действительно образуется новая, ранее неизвестная разновидность металлического железа, в котором не возникают области самопроизвольного намагничивания, препятствующие возникновению сверхпроводящего состояния.
Изучение плёнок металлов вызывает не только научный интерес. Эти плёнки могут служить прекрасным материалом для создания сверхминиатюрных ячеек кибернетических машин.
Представьте себе крошечное колечко из плёнки сверхпроводника. Возбуждённый в плёнке ток будет циркулировать по колечку сколь угодно долго, не меняя своей величины, запоминая, какой сигнал вызвал появление этого тока. Такие плёночные ячейки ещё миниатюрнее и совершеннее, чем элементы памяти из сверхпроводящей проволоки (криотроны, персистатроны, персисторы). А это прямой путь превратить современные ЭВМ в малюток.
Учёные уже используют в ячейках памяти плёнки олова, свинца и ниобия. Но ведётся широкая цепь исследований для получения плёнок из других металлов и сплавов, которые сделают элементы памяти надёжнее, дешевле, проще в изготовлении.
Путь по следам оловянной чумы пройден недаром. Он привёл в царство холода. И путешественник стал осматриваться, обживаться, знакомиться с новыми порядками, задумываться: не могут ли они быть полезны? Оказалось, что могут и послужить, и помочь, и пригодиться. Могут решить многие насущные проблемы техники.
Даже воздух, обыкновенный воздух в царстве холода становится другим, податливым, и легко отдаёт свой кислород. В 1946 году Капица разработал очень эффективный и удобный способ выделения кислорода из воздуха в огромных количествах — десятками тонн в час. Теперь кислород широко используется во всём мире для автогенной сварки, для принудительного дутья в доменных, мартеновских, бессемеровских печах.
А водород, превратившись при низкой температуре в сжиженный газ, много легче расстаётся со своим тяжёлым изотопом — дейтерием. Дейтерий очень сложно получить в обычных условиях. Но для атомных исследований он нужен в больших количествах. Когда о новом способе получения этого ценного продукта, разработанном советскими учёными, рассказал на первой Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии доктор технических наук М. П. Малков, его сообщение было встречено с большим интересом.
По мнению Капицы, низкие температуры несут много новых надежд радиотехнике. Он приводил простой и убедительный пример. Радиоприёмник на специальных элементах, некоторые части которого охлаждены до температуры жидкого гелия, приобретает такую повышенную чувствительность, как будто мощность радиостанции при этом подскочила в сотни раз. Конечно, гораздо легче проделать такую операцию, чем увеличивать на колоссальную цифру мощность передатчика.
Для химии область низких температур — страна чудес.