10. Скафандры для сверхпроводников. В плену у гелиевых температур. О лягушке, полимерах и металлическом водороде. Синица в руках или журавль в небе? Двойная сенсация.

10. Скафандры для сверхпроводников. В плену у гелиевых температур. О лягушке, полимерах и металлическом водороде. Синица в руках или журавль в небе? Двойная сенсация.

Человек, выходя в открытый космос, облачается в скафандр, изолирующий его от внешней среды. Внутри скафандра созданы условия, благоприятные для жизнедеятельности человеческого организма.

Сверхпроводники, о которых шла речь в предыдущих главах, как бы пришли к нам из мира, где царят немыслимо низкие температуры. Чтобы они могли существовать рядом с нами, пришлось создавать привычную для них атмосферу: заключать их в своего рода скафандры — оболочки, внутри которых циркулирует жидкий гелий.

Читатель уже знает, что гелий — газ редкий и дорогой. Конденсация его в жидкое состояние требует немалых затрат. Жидкий гелий быстро нагревается и выкипает, если его тщательно не изолировать в специальной многоступенчатой емкости. Обычно в сверхпроводящих устройствах оболочка с жидким гелием в свою очередь заключается в оболочку, где циркулирует жидкий азот. Это тоже обходится недешево и создает немалые технические трудности.

Применение сверхпроводников, охлаждаемых жидким гелием, экономически и технически оправдано только при решении особо сложных проблем, где обычные средства оказываются бессильными.

Может ли существовать сверхпроводимость если не при комнатной температуре, то хотя бы при температурах, достижимых с помощью жидкого водорода или жидкого азота — веществ гораздо более доступных и менее «привередливых», чем жидкий гелий? Такой вопрос уже давно поставили перед собой ученые.

В науке возникла проблема высокотемпературной сверхпроводимости.

В обыденной жизни высокими температурами считают те, которые выше комнатной. В мире сверхпроводимости высокими считаются температуры даже значительно ниже нуля градусов по Цельсию.

Вполне естественно стремление исследователей получить сверхпроводники с возможно большей критической температурой.

Напоминаем, что первый сверхпроводник — ртуть с критической температурой 4,2К — был открыт в 1911 году. Через два года максимальная критическая температура повысилась на ЗК. Был открыт сверхпроводящий свинец с критической температурой 7,2К. А чтобы повысить максимальную критическую температуру еще на 2К, понадобилось 17 лет. В 1930 году был открыт сверхпроводящий ниобий с критической температурой 9,2К.

Относительно большого повышения максимальной критической температуры удалось добиться в 50–х годах с появлением сверхпроводящих сплавов. А в 1973 году промелькнула надежда освободиться из плена гелиевых температур, то есть температур, достижимых с помощью жидкого гелия. Был получен сверхпроводящий сплав ниобий — германий с критической температурой 23,4К.

Температура кипения водорода 20,4К. Значит, принципиально возможно охладить сплав ниобий- германий с помощью жидкого водорода. Но работать со сверхпроводниками в области температур, близких к критическим, невыгодно, а подчас невозможно из?за снижения критического магнитного поля и критического тока. Ведь при критической температуре критическое магнитное поле и критический ток равны нулю и увеличиваются по мере отхода от критической в сторону более низких температур.

Установленный в 1973 году рекорд критической температуры 23,4 К в течение долгих лет оставался непревзойденным. У некоторых физиков этот период получил название «смутного времени сверхпроводимости».

В чем причина такого застоя?

Теоретические расчеты показывают, что сверхпроводимость, возникающая благодаря межэлектронному притяжению в результате взаимодействия электронов с кристаллической решеткой металла, принципиально осуществима при критической температуре до 25–30 К.

В то время исследователи уже приблизились к этому пределу, и надо было изыскивать другие возможности повышения критической температуры.

«А может быть, стоит опять прибегнуть к помощи… лягушки?» — подумали ученые.

Ведь, препарируя лягушку, итальянский профессор Луиджи Гальвани пришел к мысли о существовании животного электричества.

Можно без преувеличения сказать: именно с опытов Гальвани началась история современной электротехники.

Вот что сказал по этому поводу во вступительном слове на X Международной конференции по физике низких температур академик П. Л. Капица:

«Мы не должны забывать, что в природе, в частности в живых организмах, металл не используется для передачи электрических импульсов. Наши нервы, по которым проходят электрические импульсы, имеют не металлические свойства, и значит, что в природе существует механизм, который может передавать электрический импульс по среде, имеющей полимерную структуру».

Теоретическая разработка проблемы высокотемпературной сверхпроводимости началась в 1964 году с появлением работ американского физика

В. Литтла и крупного советского физика академика Виталия Лазаревича Гинзбурга.

Теоретическая модель Литтла основана на использовании полимеров. Напомним, что полимеры — это вещества, состоящие из макромолекул, то есть молекул, содержащих большое количество (вплоть до десятков и тысяч) валентно связанных атомов.

Эта модель представляет собой полимер с главной осью, вдоль которой перемещаются электроны проводимости. От главной оси отходят боковые ветви, причем содержащиеся в них электроны способны совершать колебательные движения.

Электрон проводимости посредством кулоновских сил вызывает смещение электронов в боковой ветви. В результате этого смещения в боковой ветви происходит поляризация, и на ближайшем к глазной оси конце боковой ветви наводится положительный заряд. Этот заряд притягивает к себе другой электрон главной оси.

Получается картина, схожая с той, которую мы наблюдаем при сверхпроводимости в обычном проводнике. Но роль кристаллической решетки теперь играют боковые ветви полимера.

Электроны на боковых ветвях могут быть более подвижными, чем ионы кристаллической решетки, и притяжение, которое они создают между электронами на главной оси полимера, проявляется сильней, чем в обычном сверхпроводнике. По идее это должно было бы привести к высокотемпературной сверхпроводимости.

Хотя сейчас уже открыты полимерные сверхпроводники, их критическая температура очень мала.

Другой механизм сверхпроводимости, не связанный со взаимодействием электронов с решеткой кристалла, был предложен В. Л. Гинзбургом.

Если на поверхность тонкого металлического образца нанести слой диэлектрика, то взаимодействие между электронами в металле усиливается в результате относительно легкой поляризуемости диэлектрика, что может привести к высокотемпературной сверхпроводимости.

Представьте себе этакий «сандвич» (это название утвердилось и в науке), состоящий из тонкой металлической пленки, с обеих сторон покрытой слоями диэлектрика.

Движущиеся в металле электроны проводимости поляризуют диэлектрик, создавая поблизости избыточный положительный заряд, который обуславливает возможность притяжения электронов.

Большие надежды ученые связывали с металлическим… водородом.

Может ли вообще существовать металлический водород?

Современная наука дает положительный ответ на этот вопрос.

Каждое вещество, подвергаемое действию все возрастающего давления, должно, в конце концов, перейти в металлическое состояние.

Идея о переходе молекулярного водорода в металлическое состояние имеет многолетнюю историю. Она была высказана в связи с изучением структуры так называемых водородных планет Юпитера и Сатурна, твердая оболочка которых состоит, по — видимому, в основном из водорода и гелия.

Предполагается, что источником энергии, излучаемой водородными планетами, является гравитационное сжатие, сопровождаемое переходом водорода в металлическое состояние.

Полный расчет уравнений состояния водорода в структуре водородных планет сделал в 1964 году А. А. Абрикосов.

Несоизмеримо возрос интерес к металлическому водороду в конце 60–х годов, когда произведенные расчеты показали, что это вещество может перейти в сверхпроводящее состояние при температуре значительно более высокой, чем все ранее известные сверхпроводники.

Правда, на пути к металлическому водороду немало технических трудностей.

Надо не только сжать исходное вещество давлением порядка двух — трех миллионов атмосфер. Необходимо перевести металлический водород, как говорят физики, в метастабильное состояние, то есть он должен сохранить свои свойства и при нормальном атмосферном давлении.

Вместе с тем внимание исследователей высокотемпературной сверхпроводимости привлекло и другое водородоподобное соединение, одной из составных частей которого являются… дырки.

Можно ли мыслить дырку от бублика без… бублика? В обыденной жизни «дырка от бублика» лишь образное выражение. Однако в микромире «дырки» как бы обретают самостоятельное существование.

Если, например, атом кристалла полупроводника теряет один валентный электрон, то, грубо говоря, образуется свободное место, которое так и называется: «дырка», несущая положительный заряд.

Дырка и электрон, в силу электростатического притяжения между ними, при определенных условиях образуют единое целое, получившее название «экситон». Это понятие впервые было введено в науку в 1931 году выдающимся советским физиком Я. И. Френкелем.

Экситон по своим свойствам похож на атом водорода.

Если масса дырки значительно больше массы электрона, то экситоны полупроводника могут образовывать периодическую решетку, аналогичную решетке из протонов и электронов в твердом водороде.

Такой полупроводник может быть переведен в металлическое состояние при давлении в 100 раз меньшем, чем это требуется для получения металлического водорода. Как показало теоретическое исследование А. А. Абрикосова, полупроводник с решеткой из «дырок» должен обладать, подобно металлическому водороду, высокотемпературной сверхпроводимостью.

Обсуждались и другие теоретические модели. Но получить вещество, в котором практически осуществился бы тот или иной механизм высокотемпературной сверхпроводимости, долгое время не удавалось.

Это не могло не разочаровать исследователей, рассчитывающих на сиюминутный успех. Считая, что лучше иметь синицу в руках, чем журавля в небе, они переключились на решение более «легких» проблем.

Другие сочли, что исследования по сверхпроводимости достигли последнего рубежа и дальнейший успех в этой области принципиально невозможен.

К их числу относился, в частности, видный американский физик Б. Маттиас, который немало сделал и в области получения сверхпроводящих материалов. В своем выступлении на первой конференции по проблеме высокотемпературной сверхпроводимости он сказал, что впервые участвует в конференции по несуществующей проблеме.

Многие лаборатории отошли от ранее традиционной для них тематики. Но были ученые, которые оставались верными рыцарями одной из важнейших проблем современной физики.

В 60–70–х годах академик В. Л. Гинзбург с группой сотрудников Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР провели ряд фундаментальных теоретических исследований в области высокотемпературной сверхпроводимости, на основании которых пришли к глубоко обоснованному выводу о том, что не существует физических законов, которые могли бы помешать созданию сверхпроводников, «работающих» даже при температуре 300К. Ученые наметили основные направления работ в этой области.

Работы Гинзбурга и его коллег были опубликованы в ряде отечественных и зарубежных научных журналов, обобщены в объемной монографии «Проблема высокотемпературной сверхпроводимости», вышедшей в 1977 году под редакцией В. Л. Гинзбурга и другого известного физика Д. А. Киржница. А в начале 80–х годов был опубликован английский перевод этой книги.

В январском выпуске 1971 года журнала «Успехи физических наук» В. Л. Гинзбург писал, что в области высокотемпературной сверхпроводимости «…быть может, вовсе не нужно проводить какой?то сверхсложный синтез новых веществ и совсем не исключена возможность добиться успеха сравнительно скромными (хотя и современными) средствами. Поэтому я не удивился бы, если бы прочел о создании высокотемпературного сверхпроводника в очередном номере физического журнала (другое дело, что в этом случае, по всей видимости, возникла бы сенсация, и о новостях мы бы узнали из газет или радиопередач)».

Прогноз советского академика сбылся почти буквально.

Открытие высокотемпературного сверхпроводника наконец состоялось, а изготовлен он был из керамики, материала, известного человеку еще с древних времен.


Следующая глава >>