8. Вихри в сверхпроводнике. Металлы и сплавы. Медь становится изолятором. Нужно ли «дразнить» сверхпроводник. Как ученые закрыли энергетическую щель.

8. Вихри в сверхпроводнике. Металлы и сплавы. Медь становится изолятором. Нужно ли «дразнить» сверхпроводник. Как ученые закрыли энергетическую щель.

Студент третьего курса физического факультета Московского государственного университета Алексей Абрикосов был самым молодым на курсе и, пожалуй, одним из самых молодых на всем факультете. Досрочно освоив школьную программу, он уже в 15 лет поступил в высшее учебное заведение.

Каждый серьезный студент, подходя к экватору пребывания в учебном заведении, начинает задумываться о своей будущей деятельности, стремиться своевременно выбрать себе научного наставника. Так было с Абрикосовым.

Среди студентов шло много разговоров о профессоре Ландау. Было известно, что он нещадно «режет» на экзаменах. Рассказывали, что в бытность в Харькове он вывесил на двери своего служебного кабинета табличку с надписью: «Осторожно, кусается!» Нетерпимый к лодырям и студентам, скользившим по поверхности знаний, он сердечно и доброжелательно относился к людям, искренне стремившимся познать науку.

В то время Ландау не преподавал на физическом факультете. Однако говорили, что он не делает различий между «своими» и «чужими» студентами. Он был готов дать путевку в науку любому — были бы способности и призвание.

Как?то не верилось, что рядовой студент мог бы запросто встретиться со всемирно известным ученым, до предела загруженным научной и преподавательской деятельностью.

Все же однажды, собравшись с духом, Алексей Абрикосов набрал номер домашнего телефона Ландау.

Терпеливо выслушав студента, профессор сказал:

— Приходите ко мне домой завтра в девять часов утра.

Так в один из осенних дней 1945 года Алексей Абрикосов очутился в квартире Ландау.

Продиктовав интеграл, профессор предложил студенту решить задачу. Затем он удалился.

Вернувшись через некоторое время, Ландау быстро просмотрел исписанный студентом лист бумаги и, по всей видимости, остался доволен. Он предложил Абрикосову сдать теоретический минимум.

— Но я хочу стать физиком — экспериментато- ром, — возразил студент.

— Ну и что же. Теория во всяком случае вам не помешает.

Абрикосов попал в школу Ландау.

Такое название вы не встретите ни в одном официальном справочнике. Между тем школа Ландау воспитала немало талантливых физиков — теоретиков. Многие из них стали докторами наук. В их числе академики и члены — корреспонденты Академии наук СССР и республиканских академий. Лучшие представители школы Ландау являются создателями собственных научных школ. Можно сказать, что и по сей день школа Ландау играет выдающуюся роль в развитии советской и мировой теоретической физики.

Ландау готовил теоретиков еще со студенческой скамьи.

«Теоретическая физика начинается с математики», — говорил Ландау. Поэтому каждый пришедший к нему студент подвергался небольшому испытанию по математике. Студент, показавший, что он разбирается в этом предмете, приступал к изучению теоретической физики по составленной Ландау специальной программе, получившей название «теоретический минимум».

Эта программа состоит из семи разделов по теоретической физике и двух вспомогательных — по математике.

После изучения каждого раздела студент сдавал экзамен. Экзамены принимал чаще всего сам Ландау. Когда число экзаменующихся заметно увеличилось, ему стали помогать ученики.

Изучение курса и сдача экзаменов было делом добровольным. Никакого удостоверения или справки сдавший теоретический минимум не получал. Достаточно было, что после его фамилии Ландау делал в своей записной книжке соответствующую пометку.

Студенты, проявившие в процессе сдачи теоретического минимума достаточные способности, как правило, оставались в аспирантуре у Ландау либо у его учеников.

Составной частью школы Ландау был теоретический семинар.

На семинаре царила творческая, непринужденная обстановка. Обсуждались разнообразные проблемы теоретической физики, и каждый мог выбрать направление, которое ему больше по душе. Здесь всячески поощрялся свободный обмен мнений.

На семинаре Ландау Абрикосов окончательно встал на путь физика — теоретика. В 1948 году, по окончании университета, он поступил в возглавляемый Ландау теоретический отдел Института физических проблем.

«Ввиду краткости жизни мы не можем позволить себе роскошь тратить время на задачи, которые не ведут к новым результатам», — писал Ландау в одной из своих статей.

Существенно новые результаты Ландау получил и в области сверхпроводимости.

Он разработал теорию промежуточного состояния сверхпроводников, показал, что в этом состоянии сверхпроводник состоит из последовательности нормальных и сверхпроводящих слоев, определил влияние внешнего поля на размеры и форму слоев, ввел понятие о поверхностном натяжении между нормальной и сверхпроводящей фазами.

В 1950 году Л. Д. Ландау вместе с другим известным советским физиком В. Л. Гинзбургом создали теорию сверхпроводимости, основанную на теории Ландау фазовых переходов второго рода. Эта теория уже тогда, то есть за несколько лет до появления теории БКШ и работ Боголюбова, позволила объяснить ряд существенных свойств сверхпроводников.

Продолжить эти исследования выпало на долю ученика Ландау, Абрикосова. Основываясь на уравнениях Гинзбурга — Ландау и результатах собственных исследований, он построил в 1957 году теорию сверхпроводящих сплавов.

Несколько позже другой ученик Ландау, Л. П. Горьков (его портрет внизу), сумел вывести уравнения Гинзбурга — Ландау из теории БКШ и объяснить физический смысл некоторых величин, введенных в эти уравнения, природа которых оставалась не вполне ясной. Разработанная советскими учеными теория сверхпроводимости металлов и сплавов получила в науке название ГЛАГ (Гинзбург — Ландау — Абрикосов — Горьков).

В 1964 году А. А. Абрикосова избирают членом- корреспондентом Академии наук СССР, а в 1968 году ему совместно с В. Л. Гинзбургом и Л. П. Горьковым присуждают Ленинскую премию за разработку теории сверхпроводящих сплавов и свойств сверхпроводников. Л. Д. Ландау был удостоен этой высшей научной награды СССР в 1962 году.

С 1965 года Абрикосов работает в Институте теоретической физики Академии наук СССР. Одновременно он заведует кафедрой теоретической физики Московского института стали и сплавов.

В 1987 году А. А. Абрикосов избран действительным членом Академии наук СССР.

Нам предстоит рассмотреть, как теория Абрикосова объясняет «странное» поведение сверхпроводящих сплавов.

Понять эту проблему поможет следующий пример, взятый из другой области физики.

Две или большее количество небольших водяных капель легко соединяются в одну большую каплю. Однако обратного процесса самопроизвольного разделения одной капли на несколько мелких капель не происходит.

Это явление объясняется наличием поверхностного натяжения, вследствие которого при уменьшении общей поверхности освобождается энергия.

Единая сферическая капля имеет минимальную поверхность для данного количества воды, и процесс самопроизвольного разделения на капли не осуществляется, потому что он должен привести к большей поверхности, что требует затраты энергии.

Поверхность раздела между двумя жидкостями обладает положительной поверхностной энергией. Но возможно положение, при котором эта энергия становится отрицательной.

Если предположить, что самопроизвольное сокращение поверхности раздела при положительном поверхностном натяжении объясняется наличием на этой поверхности упругой растянутой пленки, то поверхность раздела с отрицательным поверхностным натяжением должна представлять собой упругую сжатую пленку, которая может самопроизвольно расширяться.

Абрикосов ввел понятие о двух группах (родах) сверхпроводников.

Сверхпроводники первого рода обладают положительной поверхностной энергией между нормальной и сверхпроводящей фазами, а сверхпроводники второго рода — отрицательной поверхностной энергией между фазами.

К сверхпроводникам первого рода относятся практически все чистые металлы, а к сверхпроводникам второго рода — сплавы, а также тонкие пленки.

При этом сверхпроводник первого рода можно перевести во второй род путем внедрения посторонних примесей либо какого?нибудь другого нарушения периодичности кристаллической решетки.

Примечательно, что ниобий долгое время считался «отщепенцем» среди металлов. Его относили к сверхпроводникам второго рода. Однако, когда удалось получить особо чистый образец ниобия, он занял свое «законное» место среди сверхпроводников первого рода.

Эффект Мейснера обусловлен положительным поверхностным натяжением между сверхпроводящим и нормальным состояниями в металле. Магнитное поле выталкивается из толщи образца, так как для образования большей поверхности раздела между сверхпроводящей и нормальной областями понадобилась бы значительная энергия.

Наоборот, отсутствие эффекта Мейснера должно указывать на отрицательное поверхностное натяжение. При этом условии сверхпроводник может как угодно разделяться на сверхпроводящие и нормальные области.

Поведение в магнитном поле сверхпроводников второго рода оказалось удивительным.

При увеличении внешнего магнитного поля, начиная с нулевого значения, магнитное поле первоначально не проникает в толщу образца.

Достигнув некоторого значения Н_к1, называемого нижним критическим полем, сплав переходит в смешанное состояние. При этом магнитное поле проникает в сверхпроводник постепенно, в виде сгустков силовых линий, называемых абрикосовскими вихрями.

Внутри сгустка сверхпроводимость разрушается, но каждый сгусток окружен кольцевыми сверхпроводящими токами. Отсюда и название — вихри.

Эти вихри — квантовые. Магнитный поток, содержащийся в каждом вихре, строго равен одному кванту.

Итак, сверхпроводник оказывается пронизанным вихревыми нитями. Эти вихри, оси которых ориентированы в направлении силовых линий магнитного поля, образуют треугольную решетку. При этом в пространстве между вихрями вещество остается сверхпроводящим. Вместе с тем эффект Мейснера не проявляется. Магнитное поле в виде вихревых нитей проникает в толщу сверхпроводника.

При увеличении поля, начиная с нижнего критического поля, возрастает число вихревых нитей, и они сближаются. Соответственно увеличивается объем, занятый нормальными областями. Когда поле возрастает до величины Н_к2, называемой верхним критическим полем, сверхпроводимость полностью разрушается. Вещество переходит в нормальное состояние.

Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, с полной достоверностью подтвердили теорию Абрикосова.

Наиболее простой эксперимент, демонстрирующий образование магнитных вихрей при переходе сверхпроводника в промежуточное состояние, заключается в том, что плоская поверхность испытываемого образца покрывается ферромагнитным порошком.

Силовые линии магнитного поля пронизывают вихревые участки и выходят из образца в хех точках поверхности, которые соответствуют положениям вихревых нитей. Ферромагнитный порошок притягивается полем и скапливается в окрестностях этих точек. При этом четко просматривается треугольная решетка вихревых линий.

Что же происходит, когда через образец, содержащий вихревую структуру, пропускается электрический ток?

Известно, что магнитное поле действует на движущиеся заряды (токи) с силой Лоренца. С такой же силой ток действует и на вихревые нити, которые приходят в движение.

Вихри Абрикосова в сверхпроводнике второго рода. Покрыв поверхность сверхпроводника ферромагнитным порошком, можно наблюдать периодическую треугольную решетку вихревых нитей. Частички, порошка собираются в тех местах, где выходят силовые линии.

При этом нормальная фаза (напомним, что в области вихрей вещество находится не в сверхпроводящем состоянии) движется сквозь сверхпроводящие области. Возникает потеря энергии. Критический ток в таких сверхпроводниках второго рода, начиная с нижнего критического поля, становится равен нулю.

Можно ли остановить движение вихревых нитей?

Оказывается, для этого сверхпроводящий образец должен, например, содержать неоднородности. Вихревые нити притягиваются к таким неоднородностям и задерживаются на них.

Явление получило название — пиннинг (от английского: pinning — закрепление).

Отдельные вихреватые нити, закрепляясь на неоднородностях, взаимодействуют с другими вихревыми нитями и останавливают их движение.

С увеличением силы тока, протекающего через образец, увеличивается и сила, действующая на вихрь. Когда эта сила становится достаточной для того, чтобы преодолеть закрепление, вихревые нити приходят в движение.

В сверхпроводниках второго рода, содержащих неоднородности, образованные, например, в результате пластической деформации, критический ток относительно большой. Такие образцы получили название жестких сверхпроводников.

В современных сверхпроводящих установках преимущественно применяются жесткие сверхпроводники второго рода.

Из чистых металлов самое большое критическое магнитное поле (около 0,2 тесла) имеет ниобий. У сплава ниобий — титан или ниобий — цирконий верхнее критическое поле составляет 13 тесла, то есть величину в 65 раз большую, а критическая плотность тока достигает 500 тысяч ампер на квадратный сантиметр!

Критическая температура сплава ниобий — титан равна 10,ЗК, в то время как ни у одного из чистых металлов критическая температура не достигает 10К.

Уже получено свыше тысячи сверхпроводящих сплавов и химических соединений. Любопытно, что ни одна из составляющих, например, такого сверхпроводящего сплава, как золото — висмут, в чистом виде сверхпроводящими свойствами не обладает.

Исследователи стремятся получить сверхпроводящие металлы и сплавы с возможно высокой критической температурой и возможно большими критическим полем и критическим током.

У сверхпроводящего сплава ниобий — олово верхнее критическое поле и плотность тока вдвое больше, чем у упомянутых выше сплавов, а критическая температура равна 18,ЗК.

К сожалению, сплав ниобий — олово очень хрупкий. Намотать на катушку провод из такого сплава весьма трудно.

Поэтому сплав изготавливается чаще всего непосредственно на катушке соленоида. На нее наматываются образцы исходных материалов сплава: ниобия и оловянной бронзы. При нагревании до температуры 700 °C олово из бронзы диффундирует в ниобий. Получается искомый сплав.

Еще большее верхнее критическое поле — 35 тесла — имеет сплав ниобий — германий. Его критическая температура 23,4К до недавнего времени считалась рекордной.

Ученые и инженеры успешно освоили технологию изготовления проводов из сплавов ниобий — титан и ниобий — олово. Эти сплавы являются основными материалами для сверхпроводящих магнитных систем.

Сверхпроводящий соленоид представляет собой охлаждаемую жидким гелием катушку сверхпроводящего провода, оба конца которой замкнуты накоротко. Циркулирующий в катушке незатухающий электрический ток создает мощное магнитное поле. Сейчас уже часто используются сверхпроводящие соленоиды с магнитным полем 10 тесла.

Для создания такого поля с помощью катушки с медным проводом требуется мощный генератор и громоздкая система водяного охлаждения. Такая установка представляет собой сложное инженерное сооружение.

А катушка одного из образцов сверхпроводящего соленоида с полем 10 тесла имеет диаметр всего 6 сантиметров. Затрата мощности при эксплуатации такого соленоида, определяемая в основном затратой энергии для поддержания катушки при температуре жидкого гелия, составляет всего 5 киловатт. Это в тысячу раз меньше энергии, затрачиваемой для получения аналогичного поля с помощью обычного соленоида.

В нашей стране создаются сверхпроводящие соленоиды с полем в 30 тесла. Но это не предел. Поиски сверхпроводящих материалов с возможно большим критическим полем продолжаются.

Большие критические магнитные поля достигнуты в сверхпроводящих соединениях на основе сульфидов молибдена. У одного из таких соединений критическое поле превышает 60 тесла.

Преимущества сверхпроводящих магнитов не ограничиваются возможностью получения мощных полей при минимальной затрате энергии. Наведенный в короткозамкнутой обмотке ток сохраняет свою величину сколь угодно долгое время. Создаваемое при этом магнитное поле отличается высокой стабильностью и однородностью в достаточно большей области пространства, что особенно важно для ряда научных и практических применений.

«Зарядка» сверхпроводящих катушек осуществляется с помощью небольших низковольтных источников, снабженных устройством для регулирования электрического тока. Когда ток в катушке достигает требуемой величины, она замыкается накоротко и источник может быть отключен.

Представьте себе, что по каким?либо причинам происходит превышение критических параметров сверхпроводника и провод внезапно переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние. Тогда колоссальная магнитная энергия, заключенная в катушке, вырывается на волю в виде тепла. При этом не только испаряется жидкий гелий, но и расплавляется сама катушка.

Понадобился материал, способный принять этот удар на себя. Такую роль призвана сыграть чистая медь, обладающая, как известно, хорошей теплопроводностью.

В современных промышленных образцах сверхпроводящие провода окружаются медными проволоками. Так как сверхпроводящий ток течет по поверхности, сверхпроводник обычно расщепляется на множество тонких проводов.

Здесь медь играет роль не только теплоотвода, но и изолятора. Это утверждение может показаться на первый взгляд парадоксальным. Ведь мы привыкли к тому, что медь является хорошим проводником электрического тока. Однако по сравнению со сверхпроводником, имеющим нулевое сопротивление, даже такой материал, как медь, с низким, по представлениям обычной электротехники, сопротивлением, является прекрасным изолятором.

Сечение сверхпроводящего провода (кабеля, шины) меняется от долей квадратного миллиметра до нескольких квадратных сантиметров, а диаметр сечения единичных жил и волокон собственно сверхпроводника — от долей микрометра до десятка микрометров. В каждом сверхпроводящем проводе может содержаться от единиц до сотен тысяч волокон.

Все больше и больше громоздких и дорогих охлаждаемых водой соленоидов с медными проводами заменяют относительно небольшими сверхпроводящими магнитами. Внедряются сверхпроводящие трансформаторы, работающие без потерь и отличающиеся исключительной компактностью.

Такие трансформаторы могут работать вообще без железного сердечника. Разрабатывается много других типов сверхпроводящих машин, аппаратов и приборов. Подробно об этом вы сможете прочесть в последующих главах.

Познакомимся еще с одним интересным открытием в области сверхпроводимости.

Сверхпроводник и магнитные вещества являются в некоторой степени антиподами. Сверхпроводник, как известно, стремится вытолкнуть магнитное поле из своей толщи.

Исследование, проведенное А. А. Абрикосовым и Л. П. Горьковым, однако, заставило по — иному отнестись к этой проблеме.

Оказывается, магнитные примеси действуют на сверхпроводник неожиданным образом.

Читатель уже знает, что сверхпроводящий ток переносится спаренными электронами, так называемыми куперовскими парами.

Для разрыва куперовских пар требуется затрата некоторой энергии. Из?за этого энергия электронов, участвующих в процессе сверхпроводимости, на некоторую величину меньше энергии нормальных электронов. Эта разница называется энергетической щелью.

При налички в сверхпроводнике магнитных примесей у части куперовских пар в результате взаимодействия с атомами этих примесей энергия связи уменьшается. С повышением концентрации примесей число таких пар увеличивается, а минимальная энергия их связи уменьшается. Наконец, при определенной концентрации примесей наименьшая энергия связи пар становится равной нулю. В таком сверхпроводнике всегда есть пары, для разрыва которых достаточно сколь угодно малой энергии.

А это значит, что энергетическая щель исчезает, но сверхпроводимость сохраняется до тех концентраций примеси, пока есть пары с большей энергией связи.

Один из основоположников современной теории сверхпроводимости Джон Бардин по поводу сверхпроводников второго рода и сверхпроводников с магнитными примесями сказал, что некогда была открыта сверхпроводимость, затем был открыт эффект Мейснера и долгое время спустя открыта энергетическая щель. Затем русские закрыли эффект Мейснера, а потом закрыли энергетическую щель.

…А теперь читателю предстоит сделать скачок из микромира в мир немыслимо гигантских размеров, где наша планета Земля выглядит мельчайшей песчинкой, — в Галактику.