Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

После того как к середине XX века наконец-то была создана теория сверхпроводимости, вооруженные ею физики занялись поиском новых сверхпроводящих систем с высокими значениями критических параметров ( B к2 и T к ). Еще на заре исследований, испробовав элементы таблицы Менделеева, они расширили область поисков новых сверхпроводников, перейдя к изучению металлических сплавов (так называют макроскопически однородные металлические материалы, состоящие из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов). Чтобы получить высококачественные сплавы, исследователи разработали целый арсенал методов: от электродуговой сварки с быстрой закалкой до напыления пленок на горячую подложку.

Нужно отметить, что первый сверхпроводящий сплав был обнаружен еще задолго до создания каких-либо теорий сверхпроводимости, в 1931 году. Важнейший толчок в поисках соединений с высокими критическими полями дала уже упомянутая выше работа Алексея Абрикосова. Высказанная в ней идея о возможности повышения критического поля B к2 посредством введения в кристаллическую решетку рассеивающих электроны примесей указала направление поисков новых сверхпроводящих систем, годных для создания сверхмощных магнитов. В результате этих поисков уже в 60-е и 70-е годы XX столетия были созданы сплавы Nb 3 Se и Nb 3 Al, критическая температура которых составляет около 18 К, а критические поля выше 20 T. С созданием сплава PbMo 6 S 8 критическое поле достигло рекордных 60 T при критической температуре 15 K.

Среди обнаруженных сверхпроводников II типа некоторые способны выдерживать огромные плотности электрического тока и оставаться сверхпроводящими в гигантских магнитных полях. Создание и практическое использование сверхпроводящих кабелей на их основе представляло сложнейшую технологическую задачу ввиду того, что эти материалы довольно хрупкие, а их токонесущие свойства неустойчивы. И все же одно из препятствий для широкого промышленного использования сверхпроводимости было преодолено: сегодня критические поля новых сверхпроводников достигают значений в тысячи раз больших, чем первых, обнаруженных во времена Камерлинг-Оннеса.

В отличие от успехов в создании сверхпроводящих систем с высокими критическими полями, проблема заметного повышения критической температуры сверхпроводников еще в начале 1980-х годов оставалась нерешенной. С 1973 года рекордсменом оставался сплав Nb 3 Ge, в котором температура перехода в сверхпроводящее состояние достигала 23,2 К. К сожалению, она оставалась намного ниже температуры кипения дешевого и широко используемого криоагента – жидкого азота, которая при атмосферном давлении достигает 77 К. Она также всего лишь слегка превышала температуру кипения жидкого водорода (20 К), что делало невозможным использование этого недорогого газа для охлаждения сверхпроводящих устройств, основанных на Nb 3 Ge, существенно ниже T к . Таким образом, для функционирования всех существующих на тот момент сверхпроводящих устройств оставался необходимым жидкий гелий, производство которого было весьма дорого!

Теоретическая оценка предельно возможной критической температуры, предлагаемая теорией БКШ, не внушала оптимизма. Возможности электрон-фононного механизма притяжения ограничивались условиями устойчивости кристаллической решетки, и оказывалось, что критическая температура не может превышать 40–50 К. В поисках альтернатив еще в 1964 году Виталий Гинзбург и независимо от него американец Уильям Литтл предположили, что сверхпроводимость может осуществляться не только благодаря электрон-фононному взаимодействию, но и посредством каких-то иных механизмов. Так, Литтл предложил искать высокотемпературную сверхпроводимость в квазиодномерных соединениях, то есть в длинных полимерных цепочках с легко поляризуемыми боковыми ветвями. Однако преуспеть в синтезировании таких материалов исследователям не удалось.

Открытие Карлом Александром Мюллером и Йоханнесом Беднорцем высокотемпературной сверхпроводимости стало совсем нехарактерным для современной физики.

Во-первых, оно было выполнено двумя исследователями, которые работали в одиночку и не имели особого финансирования. Использованные ими материалы содержали только легкодоступные элементы (а не редкие изотопы). Зная, что делать, эти сверхпроводники можно создать за день работы в любой университетской лаборатории. Какой контраст, например, с физикой высоких энергий, открытия в которой требуют оборудования стоимостью в миллиарды евро, а список авторов статьи занимает целую страницу! Мюллер и Беднорц напомнили нам, как важны талант и личная инициатива, пусть даже их открытие во многом было обусловлено осведомленностью об имеющихся достижениях в науке о сверхпроводящих материалах. Впоследствии оказалось, что некоторые высокотемпературные сверхпроводники уже были синтезированы и раньше, однако их создатели не догадались (или не имели возможности) измерить электрическое сопротивление полученных материалов при достаточно низких температурах.

Для обнародования своего открытия Мюллер и Беднорц выбрали немецкий журнал Zeitschrift für Physik . Европейское открытие, опубликованное в европейском научном журнале, – что тут особенного? А вот и нет: это событие явилось уникальным за последние десятилетия. Европейские физики уже привыкли публиковать свои важнейшие открытия в американской прессе. В 2005 году один американский исследователь предложил определить наиболее цитируемые статьи по физике. Статья с открытием Мюллера и Беднорца, которого ждали три четверти столетия, в его списке не фигурировала. Удивительно! Фактически он ограничивался статьями, опубликованными только американским физическим обществом и цитируемыми только в американских журналах. А ведь если бы статья Беднорца и Мюллера оказалась в его списке, то она бы заняла по цитируемости второе место… Этот курьез свидетельствует о том, что почти все современные физики предпочитают публиковать статьи в США – до такой степени, что можно позволить себе делать статистический анализ, игнорируя европейскую научную прессу. Кроме того, эта история показывает, что статьи, опубликованные в Европе, если они очень хороши, читаются и цитируются не меньше тех, что появляются в американской прессе.

В десятилетие между 1970 и 1980 годами были обнаружены сверхпроводящие материалы, не являющиеся металлами или их сплавами. Это были так называемые оксиды, которые становились сверхпроводниками при довольно низких температурах (около 10 К). Однако от них никто не ожидал и этого: при обычной температуре эти соединения являются весьма посредственными проводниками, с малой концентрацией свободных электронов. Обнаружение сверхпроводимости в этих новых материалах навело двух исследователей из Цюриха на след будущего великого открытия…