Глава 15. Обыкновенное электрическое чудо

Работающему научному сотруднику чрезвычайно сложно, а скорее всего просто не под силу предсказать то, какой будет целая область науки в следующем столетии. Это сподручнее сделать писателям-фантастам… Научный же работник обременен грузом реальных и конкретных знаний, которые не позволяют ему делать очень смелые предсказания. Хотя в свое время Альберт Эйнштейн разъяснил, как делаются крупные открытия. Он сказал, что подавляющее большинство людей знает, что это невозможно. Затем находится один человек, который не знает, – вот он и делает открытие.

Ж. Алферов

В предыдущих главах мы познакомились с величественными и во многом загадочными явлениями природы, связанными в основном с атмосферным электричеством, стратосферной плазмой и космической радиацией. Однако чудеса, которые можно увидеть в лабораториях ученых, не менее поразительны. Это и удивительное явление сверхпроводимости, и тайны создания новых металлов и сплавов, и секреты обыкновенной воды. Во всех этих «чудесах» автору посчастливилось принимать самое непосредственное участие, и обо всем этом пойдет речь дальше.

Мир устроен так, что неживая природа стремится организовать себя в форме кристаллов. Структура кристалла с периодическим повторением атомов столь же однообразна, как проспекты многоэтажек в новых микрорайонах. Но на деле в природе все в какой-то степени несовершенно, и реальные кристаллические соединения имеют куда более сложную структуру, чем учебные идеализированные кристаллы. Это особенно очевидно на примере высокотемпературных сверхпроводников и родственных им материалов.

Даже далекие от науки слышали о сверхпроводимости. Суть этого явления заключается в том, что у некоторых материалов при достаточно низких температурах отсутствует электрическое сопротивление и они отталкивают от себя магнитное поле.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости во многом уникально для современной физики. Во-первых, оно сделано всего двумя учеными и очень скромными средствами. Во-вторых, в состав обнаруженных соединений входят легкодоступные элементы, и в принципе такие сверхпроводники могут быть приготовлены за день работы в школьном кабинете химии. Какой разительный контраст с открытиями в других областях физики, скажем, физики высоких энергий! Здесь исследования ведутся большими коллективами ученых, перечисление авторов статьи иногда занимает целую журнальную страницу а используемое оборудование чрезвычайно дорогостояще. Новое открытие внушает оптимизм, ведь получается, что время исследователей-одиночек в современной физике еще не миновало! Наконец, несмотря на то что его так долго ждали, это открытие застало всех врасплох.

Проследить логику открытия в современном материаловедении не так-то просто. Важнейшую роль здесь по сию пору играют интуиция, опыт, прозрение и… конечно, счастливый случай. Тут хочется позаимствовать пример из рассказа академика А. С. Боровика-Романова: «…Долгое время не удавалось напылить франций на германий. Тогда нидерландский физик Хендрик Казимир предложил в качестве промежуточного слоя использовать рений. Логика его предложения состояла в том, что… между Францией и Германией в качестве "скрепляющего" природного элемента протекает река Рейн. Результат превзошел все ожидания».

Приготовление сверхпроводников чем-то напоминает современную химическую алхимию, но есть и физическая. В тигель, опутанный мощными проводами, льется несколько раскаленных потоков совершенно несовместимых металлов, бурлит странное «варево», шумно выделяются остаточные газы, и вдруг все перекрывает пушечный выстрел, еще и еще. Канонада длится строго определенное время и неожиданно смолкает, обстрел электрическими молниями бурлящего металла закончен. Но что это? Остывающая масса совершенно однородна, она имеет вид нового металлического соединения! Чудо! Произошло настоящее научное чудо! Сверхвысокоэнергетический разряд создал новое металлическое соединение. Ну а может быть, на очереди не только металлы?

Приборы, основанные на эффекте сверхпроводимости, играют важную роль в научных исследованиях, транспорте и медицине. Важным элементом в них являются сверхпроводящие магниты, создающие магнитные поля в сотни раз больше, чем дают типичные охлаждаемые электромагниты. Низкотемпературные сверхпроводящие магниты используются в лабораториях и в клиниках для ядерно-магнитно-резонансной томографии. Например, при медицинской диагностике сложнейших заболеваний пациента укладывают внутрь мощного сверхпроводникового электромагнита. Благодаря изменениям в магнитном поле при его взаимодействии с тканями организма медики получают на экране образ тканей человеческого организма в разрезе.

В преддверии новых замечательных открытий возникает естественное желание поразмышлять над тем, что нас ожидает впереди, куда мы идем, какими путями. Это в полной мере относится как к научно-техническому прогрессу в целом, так и к технологии сверхпроводимости, металлургии, сварочной науке и технике, без которых просто невозможно представить себе современное производство, транспорт и строительство.

Сверхпроводимость – вещь странная и в некоторой мере даже противоречащая здравому смыслу. Когда электрический ток течет по обычному проводу, то, в результате электрического сопротивления, совершает некую работу, направленную на преодоление этого сопротивления со стороны атомов, в результате чего выделяется тепло. При этом каждое соударение электрона – носителя тока – с атомом тормозит электрон, а сам атом-тормоз при этом разогревается, вот почему спираль электрической плитки становится такой красной и горячей. Все дело в том, что спираль обладает электрическим сопротивлением и вследствие этого при протекании по ней электрического тока выделяет тепловую энергию.

Впервые о сверхпроводимости как одном из самых ярких и необычных явлений физики твердого тела стало известно 28 апреля 1911 года. В этот день голландский физик X. Камерлинг-Оннес на заседании Королевской академии наук в Амстердаме сообщил о только что обнаруженном им эффекте, связанном с полным исчезновением электрического сопротивления ртути, охлажденной жидким гелием.

Исчезновение электрического сопротивления может быть продемонстрировано возбуждением электрического тока в кольце из сверхпроводящего материала. Если кольцо охладить до нужной температуры, ток в кольце будет существовать неограниченно долго даже после удаления вызвавшего его источника тока. Магнитный поток – это совокупность магнитных силовых линий, образующих магнитное поле. Пока напряженность поля ниже некоторого критического значения, поток выталкивается из сверхпроводника.

Твердое тело, проводящее электрический ток, представляет собой кристаллическую решетку, в которой могут двигаться электроны. Решетку образуют атомы, расположенные в геометрически правильном порядке, а движущиеся электроны – это электроны с внешних оболочек атомов. Поскольку поток электронов и есть электрический ток, эти электроны называются электронами проводимости. Если проводник находится в нормальном (несверхпроводящем) состоянии, то каждый электрон движется независимо от других. Способность любого электрона перемещаться и, следовательно, поддерживать электрический ток ограничивается его столкновениями с решеткой, а также с атомами примесей в твердом теле. Чтобы в проводнике существовал ток электронов, к нему должно быть приложено напряжение; это значит, что проводник имеет электрическое сопротивление. Если же проводник находится в сверхпроводящем состоянии, то электроны проводимости объединяются в единое макроскопически упорядоченное состояние, в котором они ведут себя уже как «коллектив»; на внешнее воздействие реагирует также весь «коллектив». Столкновения между электронами и решеткой становятся невозможными, и ток, однажды возникнув, будет существовать и в отсутствии внешнего источника электричества.

К концу позапрошлого века ученые уже знали связь между электрическим сопротивлением, силой тока и напряжением и понимали, что носителями электрического тока в металлах являются отрицательно заряженные электроны. Оставалось составить описание электрического сопротивления на атомном уровне. Первую попытку такого рода предпринял в 1900 году немецкий физик Пауль Друде (1863–1906).

Смысл электронной теории проводимости сводится к тому, что каждый атом металла отдает валентный электрон из внешней оболочки и эти свободные электроны растекаются по металлу, образуя некое подобие отрицательно заряженного газа. Атомы металла при этом объединены в трехмерную кристаллическую решетку, которая практически не препятствует перемещению свободных электронов внутри нее. Как только к проводнику прикладывается электрическая разность потенциалов (например, посредством замыкания на два его конца двух полюсов аккумуляторной батареи), свободные электроны приходят в упорядоченное движение. Сначала они движутся равноускоренно, но длится это недолго, поскольку очень скоро электроны перестают ускоряться, сталкиваясь с атомами решетки, которые, в свою очередь, от этого начинают колебаться все с большей амплитудой относительно условной точки покоя, и мы наблюдаем термоэлектрический эффект разогревания проводника.

На электроны же эти столкновения оказывают затормаживающее воздействие аналогично тому, как, допустим, человеку тяжело с достаточно большой скоростью передвигаться в плотной людской толпе. В результате скорость электронов устанавливается на некоей усредненной отметке, которая называется скоростью миграции, и скорость эта отнюдь не высока. Например, в обычной бытовой электропроводке средняя скорость миграции электронов составляет всего несколько миллиметров в секунду, то есть электроны отнюдь не летят по проводам, а, скорее, ползут по ним темпами, достойными разве что улитки. Свет же в лампочке зажигается практически моментально лишь потому, что все эти медлительные электроны трогаются с места одновременно, как только вы нажимаете на кнопку выключателя, и электроны в спирали лампочки также приходят в движение сразу же. То есть, нажимая на кнопку выключателя, вы производите в проводах эффект, аналогичный тому, как если бы включили насос, подсоединенный к поливочному шлангу, до отказа заполненному водой, – струя на противоположном от насоса конце хлынет из шланга незамедлительно.

Друде весьма серьезно подошел к описанию свободных электронов. Он предположил, что внутри металла они ведут себя подобно идеальному газу, и применил к ним уравнения состояния идеального газа, достаточно справедливо проведя аналогию между соударениями электронов и тепловыми соударениями молекул идеального газа. Это позволило ему сформулировать формулу электрического сопротивления как функции среднего времени между соударениями свободных электронов с атомами кристаллической решетки. Подобно многим простым теориям, электронная теория проводимости хорошо описывает некоторые основные явления из области электропроводности, но бессильна описать многие нюансы этого явления. В частности, она не только не объясняет явления сверхпроводимости при сверхнизких температурах, но, напротив, предсказывает неограниченный рост электрического сопротивления любого вещества при стремлении его температуры к абсолютному нулю. Поэтому сегодня электропроводящие свойства вещества принято интерпретировать в рамках квантовой механики.

Хотя открытия сверхпроводимости никто не ожидал, поскольку оно противоречило существующей в те времена классической электронной теории металлов, тот факт, что первооткрывателем стал Камерлинг-Оннес, был далеко не случаен. Дело в том, что именно он стал первым ученым, которому удалось решить труднейшую научную и техническую задачу того времени – получить жидкий гелий, работа с которым позволила заглянуть в неведомый мир температур, близких к абсолютному нулю.

Подчеркнем, что в сверхпроводящем состоянии сопротивление образца электрическому току равно нулю не приблизительно, а строго. Поэтому по сверхпроводящей замкнутой цепи ток может сколь угодно долго циркулировать не затухая. Самое длительное существование незатухающего сверхпроводящего тока, около двух лет, было зафиксировано впоследствии в Англии (этот ток циркулировал бы в кольце и поныне, если бы не перерыв в снабжении лаборатории жидким гелием, вызванный забастовкой транспортных рабочих). Даже спустя два года не было замечено никакого ослабления тока.

В короткое время после открытия сверхпроводимость обнаружили не только в ртути, но и в целом ряде других металлов. Перспективы практического применения открытого явления казались безграничными: линии передачи электроэнергии без потерь, сверхмощные магниты, электромоторы и трансформаторы новых типов и так далее. Однако два препятствия встали на пути реализации этих планов. Первое – это чрезвычайно низкие температуры, при которых явление сверхпроводимости наблюдалось во всех известных материалах. Для охлаждения сверхпроводников до столь низких температур приходилось пользоваться остродефицитным гелием (запасы его на Земле крайне ограничены, получение одного литра жидкого гелия даже сейчас обходится недешево). Это обстоятельство делало многие заманчивые проекты использования сверхпроводимости попросту нерентабельными. Второе препятствие – его вскоре обнаружил сам Камерлинг-Оннес – связано с тем фактом, что сверхпроводимость оказалась весьма чувствительной по отношению к магнитному полю (а следовательно, и к предельной величине протекающего тока): в сильных полях она разрушалась.

Сверхпроводящее состояние возникает скачкообразно при температуре, которая называется температурой перехода. Выше этой температуры металл или полупроводник находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Температура перехода данного вещества определяется соотношением двух «противоположных сил»: одна стремится упорядочить электроны, а другая – разрушить этот порядок. Например, тенденция к упорядочиванию в таких металлах, как медь, золото и серебро, столь мала, что эти элементы не становятся сверхпроводниками даже при температуре, лежащей лишь на несколько миллионных кельвина выше абсолютного нуля. Абсолютный нуль (О °К – 273,16 °C) – это нижняя граница температуры, при которой вещество теряет все свое тепло. Другие металлы и сплавы имеют температуры перехода в диапазоне от 0,000325 до 23,2 °К.

Потребовалось почти полвека с момента открытия сверхпроводимости, прежде чем была понята природа удивительного явления и создана его последовательная теория. Этот период можно считать начальным этапом в изучении сверхпроводимости – этапом накопления информации о сложном явлении.

Следующим фундаментальным свойством сверхпроводящего состояния, обнаруженным в 1933 году, оказался так называемый эффект Мейснера: полное выталкивание массивным сверхпроводником магнитного поля из своего объема. Экспериментальное же изучение сверхпроводимости по-прежнему весьма затруднялось необходимостью работать с жидким гелием, поскольку его получали лишь в нескольких лабораториях.

Пятидесятые годы прошлого века можно считать началом второго этапа. В понимании природы сверхпроводимости к этому времени был достигнут качественный прогресс после того, как будущие нобелевские лауреаты Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер предложили теоретическое объяснение явления сверхпроводимости.

Над загадкой сверхпроводимости работали лучшие умы, включая знаменитых физиков Ричарда Фейнмана, академика Ландау, Фрица Лондона. Фейнман писал, что «теория сверхпроводимости – это настолько сложная задача, что решить ее, скорее всего, невозможно». Возможно, теория сверхпроводимости появилась бы раньше, если бы Джона Бардина не отвлекла Нобелевская премия 1956 года за изобретение транзистора. Оставив студента Шриффера и аспиранта Купера, Бардин уехал в Стокгольм, а тем временем они показали, что два электрона в кристалле могут образовать связанные состояния за счет обмена фононами, названные в честь Леона Купера «куперовскими парами». Впоследствии это повлекло за собой создание теории Бардина – Купера – Шриффера, которая сделала Джона Бардина обладателем двух Нобелевских премий по физике.

Явление сверхпроводимости оказалось связанным с возникновением в металлах своеобразного притяжения между электронами. Природа этого притяжения носит сугубо квантовый характер. В качестве нестрогой аналогии можно привести пример двух шариков, лежащих на резиновом коврике. Если эти шарики далеки друг от друга, то каждый из них деформирует коврик, образуя вокруг себя лунку. Если же положить сперва один шарик, а затем невдалеке от него другой, то их лунки сольются в одну и шарики скатятся вместе на дно общей лунки.

Часть электронов при достаточно низких температурах как бы объединяется в связанные (куперовские) пары, которые, пребывая в особом квантовом состоянии, переносят электрический ток без потерь энергии. Размеры таких пар в атомном масштабе весьма велики – они могут достигать сотен и тысяч межатомных расстояний. Поэтому следует представлять их не как два электрона, связанных друг с другом наподобие двойной звезды, а, скорее, как двух партнеров, пришедших вместе на дискотеку, но танцующих в разных концах зала, когда их разделяют десятки других танцоров. Таким образом, сверхпроводимость – не что иное, как макроскопическое квантовое явление.

А суть ее заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в силу низкого теплового движения, их можно считать фактически стационарными. Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание», мы имеем что имеем: ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно «плавающие» между ними. И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны – волей или неволей – движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они вяло взаимодействуют с ядрами (и между собой), но тут же «убегают».

Однако в то самое время, пока электроны проскакивают между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя. В результате, после того как между двумя ядрами проскочил электрон, они на недолгое время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но дело сделано – возник положительный потенциал, и к нему притягиваются всё новые отрицательно заряженные электроны. Тут самое важное – понять: благодаря тому что один электрон проскакивает между атомами, он тем самым создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно-кристаллической структуры парами – по-другому они просто не могут, поскольку это им энергетически невыгодно. Чтобы лучше понять этот эффект, можно привлечь аналогию из мира спорта. Велосипедисты на треке нередко используют тактику драфтинга (а именно, «висят на хвосте» у соперника) и тем самым снижают сопротивление воздуха. То же самое делают и электроны, образуя куперовские пары.

Тут важно понять, что при сверхнизких температурах все электроны образуют куперовские пары. Теперь представьте себе, что каждая такая пара представляет собой связку наподобие вермишели-доширак, на каждом конце которой находится заряд-электрон. И вот перед вами целая миска подобной «вермишели»: она вся состоит из переплетенных между собой куперовских пар. Иными словами, электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся их энергия. Соответственно, у электронов просто не остается энергии на взаимодействие с ядрами атомов кристаллической решетки. В итоге доходит до того, что электроны замедляются настолько, что им больше нечего терять (энергетически), а окружающие их ядра «остывают» настолько, что они более не способны «тормозить» свободные электроны. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю.

Долгое время физики не могли объяснить это явление, да и практического применения ему не находилось. Но к середине прошлого века ученые наконец-то смогли понять природу сверхпроводимости. Стала ясна и промышленная потребность таких материалов. Однако широко использовать сверхпроводимость не удавалось по техническим и экономическим причинам, поскольку вещества нужно было охлаждать до очень низких температур.

Создание теории сверхпроводимости послужило мощным импульсом к ее целенаправленным исследованиям. Без преувеличения, огромный прогресс был достигнут в эти годы в получении новых сверхпроводящих материалов. Важную роль сыграло тут открытие академиком А. А. Абрикосовым весьма необычного сверхпроводящего состояния в магнитном поле. Если раньше считалось, что магнитное поле не может проникнуть в сверхпроводящую фазу не разрушив ее, то Абрикосов теоретически показал, что существует и другая возможность: магнитное поле может проникать при определенных условиях в сверхпроводник в виде вихрей тока, сердцевина которых переходит в нормальную фазу, периферия же остается сверхпроводящей! Согласно поведению сверхпроводников в магнитном поле их стали делить на сверхпроводники первого и второго рода. Важно, что и сверхпроводник первого рода можно перевести во второй, введя в него химические примеси или другие дефекты кристаллической решетки.

Среди сверхпроводников второго рода удалось найти соединения, способные нести токи большой плотности и выдерживать гигантские магнитные поля. И хотя для их практического использования пришлось решить ряд непростых технологических проблем (эти вещества были хрупкими, большие токи оказывались неустойчивыми), факт оставался фактом: одно из двух основных препятствий на пути широкого использования сверхпроводников в технике было преодолено.

Хуже обстояло дело с повышением критической температуры. Если критические магнитные поля удалось увеличить по сравнению с первыми опытами Камерлинг-Оннеса в тысячи раз, то рост критической температуры не вселял особого оптимизма – она достигала лишь 20 градусов Кельвина. Таким образом, для нормальной работы сверхпроводящих устройств все так же требовался дорогой жидкий гелий. И это было особенно обидно, поскольку как раз в это время обнаружили принципиально новый квантовый эффект Джозефсона, открывший сверхпроводникам обширное поле применения в микроэлектронике, медицине, измерительной и компьютерной технике.

В 1962 году Брайан Джозефсон, будучи тогда всего лишь студентом-старшекурсником, сообразил, что два сверхпроводящих слоя, разделенные ничтожно тонкой прослойкой изолятора всего в несколько атомов толщиной, будут вести себя как единая система. Применив к такой системе принципы квантовой механики, он показал, что куперовские пары будут преодолевать этот барьер (теперь его принято называть переходом Джозефсона) даже при отсутствии приложенного к ним напряжения. Существование электрического тока подобного рода вскоре было подтверждено экспериментально, а сам эффект также получил название стационарного эффекта Джозефсона.

Если же приложить постоянное напряжение по обе стороны перехода, квантовая механика предсказывает, что куперовские пары электронов начнут перемещаться через барьер сначала в одном направлении, а затем в обратном, в результате чего возникнет переменный ток, частота которого увеличивается по мере роста напряжения. Этот эффект получил название «нестационарного эффекта Джозефсона». Поскольку частоту тока можно измерить с большой точностью, эффект переменного тока теперь используется для высокоточной калибровки напряжений.

Однако, пожалуй, самое распространенное практическое применение эффекта Джозефсона вытекает из другого прогноза, даваемого квантовой механикой. Если сделать небольшой сверхпроводящий контур с двумя встроенными переходами Джозефсона на каждом конце, а затем пропустить по нему ток, мы получим прибор под названием «сверхпроводниковый квантовый интерферометр». В зависимости от интенсивности внешнего электромагнитного поля ток в его цепи может изменяться от нуля (когда токи, идущие от двух переходов, взаимно гасятся) до максимума (когда они однонаправлены и усиливают друг друга).

Проблема повышения критической температуры встала необычайно остро. Теоретические оценки предельно возможных ее значений показывали: в рамках обычной, фононной сверхпроводимости (то есть сверхпроводимости, обусловленной притяжением электронов друг к другу посредством взаимодействия с решеткой) эта температура не должна была превышать 40 градусов Кельвина. Однако и обнаружение сверхпроводника с такой критической температурой стало бы огромным достижением, так как можно было бы перейти на охлаждение сравнительно дешевым и доступным жидким водородом (его температура кипения 20 градусов Кельвина). Это открыло бы весьма важную эпоху «среднетемпературной» сверхпроводимости, и здесь велись активные поиски обработки существующих и создания новых сверхпроводящих сплавов традиционными материаловедческими методами. Голубой же мечтой оставалось создание сверхпроводника с критической температурой 100 градусов Кельвина (а еще лучше – выше комнатной), который можно было бы охлаждать дешевым и широко используемым в технике жидким азотом.

На протяжении последующих лет выдвигалось множество новых теорий, детально исследовались десятки, а то и сотни тысяч самых необычных веществ. Одно время внимание экспериментаторов привлекли так называемые квазиодномерные соединения – длинные молекулярные проводящие цепи с боковыми отростками. Как следовало из теоретических оценок, здесь можно было ожидать заметного повышения критической температуры. Однако, несмотря на усилия многих лабораторий мира, синтезировать такие сверхпроводники не удалось. И все же на этом пути физики и химики совершили немало удивительных открытий: были получены органические металлы и синтезированы кристаллы органических сверхпроводников. Удалось также получить двухмерные «сэндвичи» вида металл – полупроводник, слоистые сверхпроводники, наконец, магнитные сверхпроводники, в них мирно сосуществуют сверхпроводимость и магнетизм, который, согласно совсем еще недавним представлениям, полностью ей антагонистичен. Но реальных указаний на высокотемпературную сверхпроводимость так и не было.

С тех пор прошло немало лет, и сверхпроводимость из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник многомиллиардных доходов предприятий электронной индустрии. А все дело в том, что любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле. Поскольку сверхпроводники долгое время проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах, они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов.

И если вы когда-нибудь подвергались медико-диагностической процедуре, которая называется электронная томография и проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса, то вы, сами того, возможно, не подозревая, находились в считаных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

Ситуация изменилась ближе к концу прошлого века, когда было открыто множество новых, необычных сверхпроводящих соединений, обладающих подчас удивительными свойствами. В некоторых из них, так называемых высокотемпературных сверхпроводниках, явление возникало при гораздо более высоких температурах, хотя все еще намного ниже нуля по Цельсию. И тем не менее высокотемпературные сверхпроводники, с которыми было проще и дешевле работать, стали активно входить в нашу жизнь.

Ученые начали изучать металлокерамики еще в семидесятых годах прошлого столетия, однако ничего необычного не нашли и «отложили на полку», даже не подозревая о скрытых возможностях. Хотя температура в 30 °К может показаться довольно низкой, она намного выше, чем температура перехода в сверхпроводящее состояние для ниобиевых сплавов (примерно 23 °К), которые широко применяются в науке и промышленности.

Однако до сих пор природа необычной высокотемпературной сверхпроводимости во многом остается для ученых загадкой. В обычных сверхпроводниках сверхпроводимость характеризуется параметром порядка, который может зависеть только от координат.

Само же явление сверхпроводимости появляется в результате объединения электронов в особые пары, движущиеся без сопротивления между атомами и молекулами проводников. Что же касается необычных металлокерамических сверхпроводников, то в них механизм образования сверхпроводимости до сих пор не понят. И хотя в изучении необычной сверхпроводимости уже достигнут существенный прогресс, непонятого и неисследованного в этой области еще очень много.

В свое время автору посчастливилось, будучи аспирантом видного физика-материаловеда, профессора Льва Самойловича Палатника, заниматься теоретическим изучением высокотемпературных сверхпроводников – металлокерамик.

Вместе с другим замечательным физиком-теоретиком (руководителем моего диплома на кафедре теорфизики Харьковского университета) Игорем Ивановичем Фалько мы рассматривали неоднородные системы, состоящие из анизотропных и обычных сверхпроводников, нормальных металлов, диэлектриков и ферромагнетиков. При изучении таких систем нам удалось создать один из вариантов теории высокотемпературной сверхпроводимости, основанный на совершенно необычных представлениях о роли микроскопических пустот (вакансий) в теле проводника.

Профессор Палатник обратил наше внимание на то, что в составе всех сверхпроводящих высокотемпературных металлокерамик обязательно присутствуют вакансии и ионы меди, которые служат как бы микроскопическими магнитиками. Но не следует думать, что все материалы, содержащие такие магнитики, – сверхпроводники. Достаточно вспомнить, что железо, состоящее из них целиком, – нормальный металл. Ионы-магнитики взаимодействуют друг с другом, образуя свою собственную упорядоченную структуру, куда и входят вакансионные узлы. В результате в кристалл из атомов оказывается как бы вложенным еще один кристалл из вакансий и связанных с ними атомов.

Электроны проводимости в магнитных материалах обладают любопытным свойством: их энергия зависит от типа магнитного упорядочения. Дело в том, что электрон – не только носитель электрического заряда, но еще и микроскопический магнитик. Если кристалл ферромагнитен, то электронный магнитик может выбрать, как ему сориентироваться относительно одинаково направленных магнитиков кристалла: параллельно или антипараллельно им, чтобы иметь наиболее низкую энергию. В антиферромагнитном же кристалле электрон не имеет возможности понизить свою энергию, поскольку при любой ориентации его окружает одинаковое число магнитиков кристалла, параллельных и антипараллельных ему. Зависимость энергии свободных электронов от свойств кристалла имеет далеко идущие последствия.

Итак, магнитное упорядочение в кристалле влияет на энергию электрона проводимости. Но и электрон может оказывать влияние на магнитное упорядочение. Разумеется, электрон – частица микроскопическая и не может изменить состояние всего кристалла макроскопических размеров. Но электрону вполне под силу изменить магнитное упорядочение в небольшой его части, где располагается одна из вакансий.

Допустим теперь, что число свободных электронов в кристалле достаточно велико, хотя и намного меньше полного числа атомов. Некоторые из них могут, преодолевая взаимное отталкивание, обусловленное одинаковым знаком их электрических зарядов, собраться вблизи вакансий. Это может быть энергетически выгодно, поскольку экономится энергия, затрачиваемая на преодоление тяготения близлежащих узлов кристаллической решетки.

Но в одной области не могут собраться все свободные электроны: этому препятствует электрическое отталкивание. В кристалле образуются отдельные ферромагнитные капли, в каждой из которых электронов будет не слишком много, около десятка. Результаты детального расчета показывают, что эти капли образуют периодическую структуру внутри изолирующей антиферромагнитной основной части кристалла. И несмотря на то что в кристалле много электронов, он ведет себя как полупроводник или даже изолятор при комнатной температуре.

Будущая теория высокотемпературной проводимости должна будет объяснить, как объединенные пары электронов проводимости могут без сопротивления преодолевать узлы кристаллической решетки. Невозможное на первый взгляд притяжение двух одинаково заряженных частиц возникает из-за того, что металлокерамики состоят не только из анионов, но и из положительных ионных вакансий. Движущийся электрон оставляет за собой след в виде кратковременных искажений кристаллической решетки, притягивающих другой электрон, образующий вместе с первым куперовскую пару. Здесь можно провести аналогию с детьми, прыгающими на батуте: хотя они напрямую не связаны, деформации батута во время прыжков будут способствовать их сближению. Куперовские электронные пары начинают накладываться друг на друга, при температуре ниже критической образуют электронное состояние, охватывающее весь проводник, и перестают испытывать электрическое сопротивление.

С понижением температуры и ростом концентрации электронов объем ферромагнитных капель возрастает. При некоторой ее величине капли приходят в контакт друг с другом, и ферромагнитная высокопроводящая часть кристалла начинает доминировать. Металлокерамика переходит в сверхпроводящее состояние.

Было известно, что высокотемпературная сверхпроводимость очень чувствительна к образованию кислородных вакансий, составляющих свой особый порядок внутри кристалла. Следует также учитывать, что заряд в некоторых сверхпроводящих материалах переносится не электронами, а дырками. Суть дела очень проста: на самом деле, конечно же, заряд переносят электроны. Но, когда электронов много, удобнее говорить, что в некоторых состояниях электронов нет, и там образовались дырки.

Представим себе ряд пустых стульев в кино. Если с краю сел один человек и начал постепенно пересаживаться, мы увидим просто его движение. Но если в ряду есть только одно свободное место, с краю, и публика стала поочередно пересаживаться на соседний свободный стул, создастся впечатление, что движется пустое место, своего рода дырка. Видимое ее движение обратно направлению, в котором пересаживаются зрители. Примерно то же самое происходит и в сверхпроводящих кристаллах. Когда свободные электроны начинают передвигаться под действием электрического поля, мы видим, как в противоположном направлении движется пустое место, дырка. А это значит, что у дырки другой знак заряда, она положительна.

Если удалить атом из узла кристаллической решетки, то образуется полость – вакансия. Подобные вакансии обязательно присутствуют в реальных высокотемпературных сверхпроводниках и, в соответствии с теорией Палатника – Фалько – Фейгина, играют определяющую роль в образовании сверхпроводящего состояния. Один из вариантов реализации высокотемпературного сверхпроводящего состояния можно представить в виде схемы объединения двух электронов проводимости в «сверхпроводящую» пару вблизи вакансии. Профессор Палатник при объяснении своей теории часто использовал очень наглядный и зримый образ двух шариков – электронов, скатывающихся в лунку, – вакансию с выпуклым дном.

Вот здесь и проявляются преимущества теории вакансионной сверхпроводимости, ведь вблизи вакансий одинаково эффективно концентрируются и электроны, и дырки.

Высокотемпературная сверхпроводимость обещала массу заманчивых перспектив как в области фундаментальной науки, так и для решения чисто технических задач. Усилия ведущих исследователей мира были направлены на получение все новых материалов и исследование их структуры. Казалось, еще немного, и будут созданы вещества, теряющие электрическое сопротивление почти при комнатной температуре. Сотни электростанций перестанут немалую часть выработанной энергии тратить на нагрев проводов линий электропередачи. Все, однако, оказалось не так просто. Природа неохотно расстается со своими секретами, и предстоит еще долгая работа, прежде чем высокотемпературные сверхпроводники смогут стать сверхпроводящими хотя бы на холоде. Исследования продолжаются, ни одно из них пока не смогло решить проблему сверхпроводимости целиком, но каждое помогает глубже понять ее и обнаружить немало важного и интересного в самой кристаллической структуре вещества.

Так случайно или закономерно открытие Мюллера и Беднорца? Можно ли было синтезировать обнаруженное вещество со столь уникальными свойствами раньше? Как непросто дать ответ на эти вопросы! Мы давно привыкли к тому, что все новое получается на грани возможностей, с применением уникальных установок, сверхсильных полей, сверхнизких температур, сверхвысоких энергий. Здесь же ничего такого нет, создать высокотемпературный сверхпроводник не так уж сложно – с этим вполне мог бы справиться квалифицированный средневековый алхимик. Стоит вспомнить, что десяток лет назад во многих лабораториях мира интенсивно исследовалось весьма необычное сверхпроводящее соединение, так называемое «алхимическое золото». Это название соединение получило за свой желтый блеск и большой удельный вес, что делало его похожим на благородный металл. Синтезированное алхимиками еще в Средние века, оно, бывало, выдавалось за настоящее золото и рекламировалось как результат успешного применения философского камня. А ведь алхимическое золото – довольно сложное соединение, и как знать, не создали бы высокотемпературный сверхпроводник в Средние века, обладай он золотым блеском?

В середине семидесятых годов прошлого века среди многочисленных кандидатов в высокотемпературные сверхпроводники мелькнули и некие диковинные керамические соединения. Они, будучи при комнатных температурах по своим электрическим свойствам плохими металлами, не слишком далеко от абсолютного нуля переходили в сверхпроводящее состояние. Однако парадокс состоял в том, что новое соединение и металлом-то можно было называть с большой натяжкой. Согласно теоретическим представлениям, достигнутая в нем величина критической температуры оказывалась не малой, а поразительно большой для таких веществ.

Это обстоятельство и привлекло внимание к керамикам как к возможным кандидатам в высокотемпературные сверхпроводники. Следует признать, что никаких серьезных теоретических оснований для этого интереса экспериментаторов не существовало. Мюллер и Беднорц, подобно средневековым алхимикам исследовали сотни различных окислов, варьируя их состав, количество, режимы синтеза. На этом непростом пути они в конце концов и подобрались к соединению бария, лантана, меди и кислорода, которое при измерениях проявило признаки сверхпроводимости при 35 градусах Кельвина.

При этом оказывается, что и сам поиск технологичных сверхпроводников велся весьма необычно, стартовав с чистых металлов, ученые в погоне за высокими критическими полями перешли к сплавам, а закончилось дело и вовсе металлооксидами, которые по своему внешнему виду плохо отвечают нашим обычным представлениям о металлах, скорее, это своеобразная глина.

С другой стороны, развитие шло от простого к сложному. Теория временами сильно отставала от эксперимента, временами, наоборот, давала мощные толчки дальнейшим исследованиям. Сегодня она снова в долгу перед экспериментом: новые высокотемпературные сверхпроводники были обнаружены в ходе случайного поиска, и пока нет удовлетворительного объяснения обнаруженному феномену.

После открытия первого высокотемпературного сверхпроводника исследователи нашли множество сверхпроводящих сложных оксидов меди. Однако до сих пор не было открыто никаких низкотемпературных сверхпроводников с аномально высокой критической температурой. На этом фоне обнаружение высокотемпературной сверхпроводимости сложных оксидов меди напоминает открытие нового неисследованного континента, а выявление сверхпроводимости деборида магния больше похоже на открытие отдаленного острова в хорошо исследованном архипелаге. Станет ли диборид магния последним звеном в цепи традиционных сверхпроводников, или нас еще ждут удивительные открытия?

Перспективы применения высокотемпературных сверхпроводников поистине фантастичны. На повестку дня ставятся многие из предложенных ранее глобальных проектов – высокотемпературные сверхпроводники делают их рентабельными.

Известно, что, несмотря на все инженерные ухищрения, значительная часть генерируемого электричества безвозвратно теряется, не производя никакой полезной работы. Так, сейчас в линиях электропередачи исчезает до 30 процентов всей вырабатываемой в мире электроэнергии. Применение высокотемпературных сверхпроводников в силовых кабелях может существенно улучшить ситуацию, а в далекой перспективе почти полностью эти потери исключить.

С технической точки зрения наиболее перспективны различные магнитные подвесы над сверхпроводящей поверхностью для движущихся устройств. Это позволит избежать трения и нагревания различных осей и подшипников. Такие составы считаются одним из самых быстрых транспортных средств в мире, в них используется технология магнитной левитации, запатентованная еще в 1930-х годах. Успешные испытания первого прототипа таких поездов состоялись в 1987 году. Скорость ранних модификаций монорельсового поезда составляла 450 км/ч, а современные модели способны развить скорость до 550 км/ч.

Самая быстрая и единственная работающая линия таких «летающих» поездов построена в Китае, и крейсерская скорость на этом маршруте составляет 430 км/ч.

Все дело в том, что по непреложным законам физики электроток обязательно будет разогревать проводник, а вместе с ним и окружающую среду. Между тем уже почти 100 лет минуло с тех пор, как было открыто явление сверхпроводимости – путь к тому, как обойтись без потерь в проводах. Путь, однако, непростой. Для того чтобы некоторые (не все) проводящие материалы потеряли свое электрическое сопротивление, их необходимо охлаждать до очень низких температур, а это ставит серьезные технические задачи. Тем не менее уже на десятки лет идет счет практическому использованию в разнообразных научных приборах сверхпроводящих электромагнитов, работающих при температуре жидкого гелия и применяющихся в производстве современных гигантских ускорителей элементарных частиц – коллайдеров и экспериментальных термоядерных реакторов. Сверхпроводящие элементы и конструкции находят все более широкое использование на высокоскоростном транспорте (монорельсовые поезда) и в медицинских магниторезонансных томографах со сверхпроводящими магнитами в гелиевых криостатах (включая различные датчики, снимающие магнитокардиограммы и магнитоэнцефалограммы). Несомненно, использование сверхпроводимости будет в ближайшие годы расширяться – взять хотя бы квантовые компьютеры, в которых без сверхпроводимости не обойтись.

Что до энергетики, то высокая стоимость сверхпроводящих материалов и необходимость охлаждения до весьма низких температур существенно тормозит их массовое применение. Однако ученые многих стран ведут интенсивные исследования, нацеленные на смягчение, а в перспективе – устранение этих препятствий. Так, благодаря фундаментальным исследованиям ученых атомной отрасли наша страна сегодня находится на стадии освоения и полупромышленного внедрения высокотемпературных сверхпроводников.

Все проекты термоядерного синтеза базируются на использовании гигантских сверхпроводящих магнитов для удержания высокотемпературной плазмы от касания стенок камеры. Для поддержания их в сверхпроводящем состоянии расходуются огромные объемы жидкого гелия. В недалеком будущем их можно будет перевести на азотное охлаждение.

Огромные сверхпроводящие катушки смогут служить накопителями электроэнергии, снимающими пиковые нагрузки в ее потреблении.

Эффективная медицинская помощь – это прежде всего точный и быстрый диагноз. Основанная на применении сверхпроводящих джозефсоновских элементов сверхчувствительная аппаратура для снятия магнитокардиограмм и магнитоэнцефалограмм может прийти во все больницы.

Остался еще один очень интересный вопрос, касающийся сверхпроводимости в целом и высокотемпературных керамик в частности: существуют ли естественные состояния сверхпроводящих материалов в природе и как они могут проявляться? На первый взгляд вопрос простой – если есть в космосе металлические минералы, то многие из них должны находиться при средней температуре вакуума – 4 °К – в сверхпроводящем состоянии.

Однако в действительности все не так просто: массивные образцы чистых металлов в пробах лунного грунта (риголита) и метеоритах не обнаружены, исключение составляют редко встречаемые железно-никелевые образцы.

Тем не менее будущим исследователям спутников газовых гигантов вполне может встретиться фантастическая картина парящих магнитных скал над островами металлических руд (или перовскитов), омываемых морем какого-либо жидкого газа.

Кибернетики давно проектируют использование разнообразных сверхпроводящих электронных элементов для создания «думающих» роботов и электронно-вычислительных систем. Здесь вспоминается очень любопытный, но несколько мрачноватый рассказ известного американского фантаста Поля Андерсона. Действие его происходит в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Космический корабль терпит крушение после столкновения с ледяной горой своеобразного космического «айсберга». После разгерметизации корпуса вырвавшийся поток воздуха разбрасывает экипаж космонавтов среди облака летящих обломков скал (существует гипотеза, что пояс астероидов – это остатки планеты Фаэтон, разорванной притяжением Юпитера). Один из несчастных ударяется о поверхность подвернувшегося астероида и навечно оказывается его пленником. Однако волею фантазии автора через некоторое время подобие жизни начинает периодически возвращаться к космонавту. Дело в том, что астероид принадлежал к внутреннему поясу и, вращаясь, периодически попадал под слабые лучи бледного на таком расстоянии солнца. Этого было достаточно для появления электрических импульсов в сверхпроводящих сосудах головного мозга и возникновения сознания…