Знание-сила, 1998 № 02 (848)
Шрифт:
С какой из симметрии возникают электронные пары в высокотемпературных сверхпроводниках
Когда же сверхпроводимость поможет в создании подобных поездов?
Другой показатель — масштабы научных обсуждений. На относительно недавней конференции в Японии (июль 1991 года) было представлено примерно полторы тысячи докладов, а труды конференции опубликованы в четырех томах общим объемом более 2700 страниц. Несомненно, такой размах исследований объясняется тем, что от высокотемпературной сверхпроводимости ждали и ждут больших успехов в технике. Но пока ожидания не очень-то оправдываются. По словам академика В. Л. Гинзбурга, «столь бурная реакция научного сообщества, да и широкой публики на открытие ВТСП (высокотемпературной сверхпроводимости) мне все же до конца не понятна, это какое-то социальное явление».
Еще одним непостижимым психологическим феноменом можно считать полное забвение исследователями ВТСП своих предшественников: проблема эта родилась не в 1986 году, а как минимум лет на двадцать раньше (на современном уровне ее поставил американский физик У. Литтл в 1964 году). У. Литтл, во- первых, задал вопрос, почему критическая температура Тс известных тогда сверхпроводников невысока? Во-вторых, он указал возможный путь повышения Тс до комнатной и более высоких — свыше двух тысяч градусов — температур. Модель Литтла была очень красивой, однако попытки реализовать ее наталкивались на принципиальные трудности.
Тем не менее работа эта не осталась незамеченной, она привлекла к себе большое внимание и широко обсуждалась, в частности, московскими теоретиками ФИАНа во главе с академиком В. Л. Гинзбургом. В большой монографии 1976 года он писал: «Из общих теоретических соображений мы в настоящее время считаем наиболее разумной оценку Тс<300К, причем, конечно, речь идет о материалах и системах, находящихся в более или менее нормальных условиях... В этом плане наиболее перспективными с точки зрения возможности повышения Тс представляются слоистые соединения и сэндвичи диэлектрик-металл-диэлектрик... Исследования проблемы высокотемпературной сверхпроводимости вступают во второе десятилетие своей истории (если говорить о сознательном поиске веществ с Тс>90К при использовании экситонного и других механизмов)... Ближайшее десятилетие, как можно думать, явится решающим для проблемы высокотемпературной сверхпроводимости».
Вышло, увы, по-другому. Призывы энтузиастов, прежде всего самого Гинзбурга, сконцентрировать усилия на решении проблемы ответа не получили. Хуже того, нашлись и такие ученые, причем весьма авторитетные, кто доказывал принципиальную невозможность ВТСП. Наверное, ее открытие и показалось неожиданным потому, что ему предшествовала обстановка уныния и скепсиса.
А вот мнение В. Л. Гинзбурга уже о нынешнем положении дел: «Современное состояние теории твердого тела и, в частности, теория сверхпроводимости не позволяет вычислить температуру Тс или хотя бы достаточно точно и определенно, особенно в случае сложных материалов, указать, какое именно соединение нужно исследовать... Ведь нет еще достаточной ясности даже в вопросе о механизме сверхпроводимости «купратов» (это определенный тип веществ, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью.— А. К.)... Место, принадлежащее до 1986—1987 года проблеме высокотемпературной сверхпроводимости, заняла проблема комнатнотемпературной сверхпроводимости. Не вижу, к сожалению, возможности сделать что-то позитивное в этом направлении, остается лишь с нетерпением ждать развития событий».
Не хотелось бы верить, но кажется, что энтузиазма у патриарха отечественной физики поубавилось.
Из «истории древнего мира» и «средних веков»
Еще в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес установил, что металлическая ртуть при охлаждении до четырех градусов выше абсолютного нуля полностью перестает оказывать сопротивление проходящему через нее току. В 1913 году он обнаружил подобное поведение у свинца при семи градусах.
Сверхнизкие температуры очень сложно и дорого получать, поэтому с первых же дней ученые стали искать сверхпроводники с более высокими температурами, но дело подвигалось крайне медленно. Лишь в 1954 году удалось перебраться за 18 градусов для соединения Nb3Sn, а в 1973 подойти к 24 градусам для Nb3Ge. И только в 1986 году Г. Беднорц и А. Мюллер в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе получили сверхпроводимость при 35 градусах в соединении оксида бария — лантана — меди (кстати, неметалла), и это был прорыв. Действительно высокотемпературный сверхпроводник с критической температурой 80—90 градусов выше абсолютного нуля был найден в начале 1987 года. Авторы открытия ВТСП вскоре стали нобелевскими лауреатами.
Камерлинг-Оннес также довольно быстро был увенчан Нобелевской премией, но вот дождаться теоретического объяснения своего открытия ему было не суждено. Куда девается сопротивление движению электронов, поняли лишь в 1957 физики из университета в Иллинойсе — Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер (в 1972 году и они получили Нобелевскую премию). Оказывается, при движении через вещество с кристаллической решеткой электроны могут объединяться в пары и тогда двигаться без сопротивления. Теоретики описывают процесс движения такой пары по сверхпроводнику, как движение «фонона» — пакета колебательной энергии.
Но это объединение возможно лишь при сверхнизких температурах и совсем «не работает» при температурах более высоких, а тем более комнатных. Во всяком случае, совершенно непонятно, как «куперовским парам» удается противостоять нагреву. Неужели первооткрывателям ВТСП также несколько десятилетий ждать, когда же ее объяснят? Все-таки события последних лет внушают осторожный оптимизм.
Перипетии «новейшей истории»
Первое предположение о том, что происходит при ВТСП, высказал физик из университета в штате Иллинойс Тони Легетт. Он предложил эксперимент, способный определить, как ведут себя электроны в обычных и высокотемпературных сверхпроводниках одинаково или нет. По его мнению, ключ к проблеме лежал в понятии симметрии. Дело в том, что в обычном сверхпроводнике спаренные электроны обладают симметрией S-волны, иначе говоря — сферической, когда нет выделенного направления. Большинство физиков считают, что и при повышении температуры сохраняется тот же механизм.
Но вот Дуглас Скальпино из Санта-Барбары в Калифорнии предложил в 1989 году радикальную идею. Он обратил внимание на то, что атомы — это крошечные магниты, причем расположенные в строгом порядке кристаллической решетки. У электронов тоже есть магнитный момент. Гипотеза Скальпино состоит в том, что взаимодействие между магнитными моментами может загнать электроны в пары.
Представьте, что прохождение электрона заставляет магнитный момент ближайшего атома перевернуться. Этот переворот повлияет и на соседние с ним атомы, они тоже могут сместить направление магнитного момента. После ухода электрона положение атомов еще некоторое время будет сохраняться и они смогут притянуть к себе другой проходящий электрон. Этот механизм называется «спиновыми флуктуациями», поскольку магнитные моменты у атомов и у электронов возникают благодаря их собственному вращательному моменту — спину, а флуктуации в структуре спинов кристаллической решетки могут привести к возникновению сил спаривания электронов.
Идея стала особенно привлекательной после того, как один из коллег Легетта, Дэвид Пайне, показал в 1992 году, что спиновые флуктуации действительно способны связать электроны в пары и даже противостоять разрушительному воздействию температурного нагрева. Один из важнейших моментов его гипотезы заключается в том, что пары возникают с другой формой симметрии — так называемой D-волной (см. рисунок). Если бы экспериментально удалось доказать, что для высокотемпературной сверхпроводимости реализуется именно D-волновая симметрия электронных пар, то идея получила бы колоссальную поддержку.