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

8. История роста критической температуры. На линиях графика кружками указаны металлы и сплавы, к которым применима теория БКШ, а белые квадратики соответствуют высокотемпературным сверхпроводящим оксидам. Крестиками обозначены органические сверхпроводники, а треугольниками – сверхпроводники на основе железа, обнаруженные в первом десятилетии XXI века

Долгожданный прорыв был совершен Карлом Александром Мюллером и Йоханнесом Георгом Беднорцем, когда они работали в лаборатории компании IBM, расположенной в Швейцарии (там же, где была создан первый туннельный микроскоп, см. главу 28, «Взгляд в наномир»). Зимой 1985–1986 годов ученые синтезировали соединение, которое становилось сверхпроводником при 35 К! Его химическая формула может быть записана как La 2 – x Ba x CuO 4 – δ , где x и δ являются определенными дробными числами. Статья, опубликованная в 1986 году, была озаглавлена весьма осторожно: «О возможности высокотемпературной сверхпроводимости в системе La−Ba−Cu−O».

Возможность вскоре стала реальностью, и за открытие сверхпроводимости в этом оксиде Мюллер и Беднорц были удостоены Нобелевской премии по физике уже в 1988 году. Они (см. врезку выше) проложили человечеству путь к сверхпроводимости «при высоких температурах» (ее называют так, хотя эти температуры намного ниже 0 °C). Эту эстафету подхватили другие исследователи. Так, буквально через несколько месяцев заменой бария стронцием рекорд критической температуры был поднят до 45 K. Последний держался недолго: еще через месяц было обнаружено, что при высоком давлении критическая температура найденного Мюллером и Беднорцем соединения поднимается до 52 К. В 1987 году американец Пол Чу понял, что эффекта высокого давления можно добиться, заменив атомы лантана на меньшие по размеру атомы его соседа по колонке в таблице Менделеева – иттрия. Синтезировав соединение YBa 2 Cu 3 O 7 – δ , он достиг критической температуры в 92 K – а это уже превысило азотный порог (температуру кипения жидкого азота)! Синтезированные впоследствии новые сверхпроводники достигли критических температур в 125 К и даже (при очень высоком давлении) в 165 K (–108 °C).

За прошедшую треть столетия физики нашли огромное число новых сверхпроводящих веществ, критическая температура которых превышает рекордные для 1973 года 23 К (илл. 8).

Их разделяют на несколько групп – перовскиты, пниктиды, MgB 2 , органические сверхпроводники, гидриды. Первыми обнаруженными и наиболее изученными на сегодняшний день остаются медные оксиды с примесью иттрия и бария, например YBa 2 Cu 3 O 7 – δ (илл. 9). Все они имеют слоистую структуру: атомы меди Cu и кислорода O образуют плоскости, разделенные другими атомами, в данном случае атомами Ba и Y. Движение носителей заряда почти двумерно: они легко перемещаются в слоях CuO 2 , однако при этом редко перепрыгивают с одного слоя на другой. Образующиеся куперовские пары также в основном локализованы в плоскостях.

9. Кристаллическая решетка сверхпроводника YBa 2 Cu 3 O 7

Механизм высокотемпературной сверхпроводимости пока до конца не изучен. Ключом к пониманию явления, вероятно, является двумерный характер движения электронов. Все согласны, что здесь, как и в случае классической сверхпроводимости, описываемой теорией БКШ, явление обусловлено возникновением куперовских пар. Однако среди ученых нет единого мнения о механизме взаимодействия между зарядами, который приводит к их куперовскому спариванию при столь высоких температурах. В настоящее время существует около 20 более или менее противоречивых теорий. Они в целом далеки от теории БКШ, которая основана на взаимодействии между электронами посредством электрон-фононного взаимодействия.

И все же Мюллер и Беднорц стали искать сверхпроводимость в соединении La 2 – x Ba x CuO 4 – δ именно потому, что благодаря их интуиции и некоторым смутным соображениям они ожидали, что здесь критическая температура будет особенно велика! Многие считают, что Мюллеру и Беднорцу просто повезло: они обнаружили сверхпроводимость именно там, где ее искали, но привела их к этому замечательному открытию ошибочная мотивация. Тем не менее некоторые недавние эксперименты показывают, что они, возможно, не ошибались. Для теоретической физики открытие высокотемпературных сверхпроводников представляет собой загадку, сравнимую с тем, чем являлось в свое время открытие сверхпроводимости ртути.

В заключение вернемся к замечательному следствию сверхпроводимости. Как мы уже видели, установившийся в сверхпроводнике ток не затухает. Этот факт возвращает нас к концепции perpetuum mobile – вечного движения, некого святого Грааля, который многие века искали алхимики, изобретатели и ученые и который тем не менее согласно законам классической физики невозможен! Без поступления энергии извне малейшее трение в конечном итоге останавливает любое движение. Является ли сверхпроводимость проявлением вечного движения электронов?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим два различных случая. Состояние сверхпроводника, по которому протекает постоянный ток при отсутствии внешнего магнитного поля, даже в наиболее благоприятных условиях, при самых низких температурах, формально является метастабильным – ведь его энергия выше, чем в состоянии без тока. Это означает, что такой ток должен был бы в конце концов затухнуть, подобно тому как кристалл алмаза в конечном итоге должен превратиться в графит (см. главу 23, «Метаморфозы углерода»). Как это может произойти? В обсуждении этой проблемы приняли участие такие классики, как Бор и Маттисен. Проблема оказалось в том, что ввиду квантовой природы сверхпроводимости подобное затухание не может происходить понемножку, сверхпроводящий ток должен уменьшаться макроскопическими скачками, а ждать такого события придется довольно долго, возможно, даже время, превышающее время жизни нашей Вселенной.

Во втором случае рассмотрим сверхпроводник в мейснеровском состоянии, то есть помещенный в магнитное поле ниже первого критического. Здесь возбужденный в сверхпроводнике постоянный ток действительно окажется вечным. Неужели это и есть то вечное движение, о котором мечтали ученые прошлых веков? В некотором смысле да, ведь с током в классической физике связано движение заряженных частиц. Однако в квантовой механике это явление имеет смысл, существенно отличающийся от своего классического толкования. В классической механике наблюдаемые величины хорошо определены – например, положение частиц, которое зависят от времени. Поэтому при наличии тока здесь можно уверенно говорить о перемещении зарядов в пространстве. Сверхпроводящий же ток в условиях приложенного магнитного поля – это реакция всего конденсата на внешнее воздействие, которая спасает сверхпроводящее состояние от разрушения. Сверхпроводник в таком токовом состоянии находится в термодинамическом равновесии и может пребывать в нем бесконечно долго.