11. «Возвращение каменного века». Ученые из Цюриха начинают «… выигрывают. Магические цифры. Три кита, на которых держится сверхпроводимость.

11. «Возвращение каменного века». Ученые из Цюриха начинают «… выигрывают. Магические цифры. Три кита, на которых держится сверхпроводимость.

Слово «керамика» происходит от греческого «керамос», что в переводе означает «глина».

Керамика — один из древнейших материалов, известных на Земле. Первые керамические изделия появились за пять тысячелетий до новой эры, на исходе каменного века.

Пластичность глины была известна людям с незапамятного времени. Человек, который первым до — гадался подвесить изделие, вылепленное из глины, над костром, разумеется, не мог предположить, что изобрел замечательный материал, который впоследствии получит широчайшее распространение. Мягкая и податливая глина под действием огня сделалась твердой как камень. Из керамики (обожженной глины) делали сосуды для приготовления пищи.

…Проходили века и тысячелетия. Костры и простейшие горны сменились механическими печами. Совершенствовались техника обжига и технология производства.

Керамика окружает нас в повседневной жизни: от посуды и домашней утвари до санитарных приборов. Это один из основных материалов в строительстве. Трудно представить, что керамика — это и легкая фаянсовая чашечка и грубый увесистый кирпич.

Современная керамика — не только материал, сформованный из глин с различными добавками. Это также изделия, в состав которых глины вообще не входят. Они состоят из других минеральных масс, подвергаемых обжигу при температуре от 900 °C и выше.

Керамические материалы имеют ряд преимуществ перед металлами. Они выдерживают более высокие температуры, стойкие к действию кислот, и не подвержены коррозии. По прочности керамика почти не уступает алмазу. Удельный вес ее меньше, чем у металлов, и изделия из нее соответственно легче. Сырье для керамики дешево и имеется почти всюду.

Керамический резец, например, легко вгрызается в стальную заготовку. Инструменты из керамики применяются в металлообработке.

Керамические материалы используются на атомных электростанциях, в экспериментальных установках термоядерного синтеза. Керамические покрытия защищают корпуса космических кораблей при входе их в плотные слои атмосферы. Применяется керамика в самолетостроении, приборостроении, электротехнике и других отраслях промышленности.

Вместе с тем керамические материалы отличаются хрупкостью, они чувствительны к изменениям температуры: при резком охлаждении трескаются.

Некоторые специалисты считают, что при усовершенствовании технологии производства керамика сделается одним из основных материалов в технике и промышленности.

К числу восторженных поклонников керамики следует отнести авторов статьи, опубликованной в начале 1987 года в западногерманском научно- популярном журнале «Гео». В этой статье, озаглавленной «Возвращение каменного века», они пишут: «По типу применяемых материалов определенные этапы в истории человечества называются каменным, бронзовым и железным веками. Наше время принято называть атомным веком. Следующая эпоха имеет все основания называться веком керамики».

Многие годы и десятилетия длились поиски высокотемпературных сверхпроводников. А в результате в фавориты вышел не благородный металл, не солидный сплав с двойной «фамилией» и даже не уроженец далекой планеты — металлический водород, а оксидная керамика, получаемая путем спекания порошков окислов металлов.

Давно известно, что большинство окислов являются прекрасными… изоляторами и, казалось, обнаружить в них сверхпроводимость невозможно.

Швейцарский ученый Карл Алекс Мюллер и западногерманский физик Йоган Георг Беднорц, работающие в исследовательской лаборатории цюрихского филиала известной американской фирмы ИБМ, в течение многих месяцев исследовали разные окислы, варьируя их составляющие и изменяя режимы термообработки. Наконец на исходе 1985 года, сплавив в определенной пропорции окислы бария, лантана и меди, они обнаружили, что у полученного соединения при температуре 30—35К резко падает электрическое сопротивление.

«Похоже, что это начало перехода вещества в сверхпроводящее состояние», — подумали ученые.

Однако они не спешили опубликовывать результаты своих экспериментов. Слишком неправдоподобным выглядел такой скачок критической температуры, сразу на 7—12 кельвинов выше прежнего рекорда.

Сообщение о своем открытии они послали в научный журнал лишь в середине апреля 1986 года.

И вот в сентябрьском номере журнала «Zeitschrift fur Physik B» появилась статья под названием: «Возможная сверхпроводимость в системе барий- лантан — медь — кислород».

Многие физики сдержанно отнеслись к этой публикации. И раньше из разных стран поступали сообщения об открытии сверхпроводников с еще большей критической температурой. К сожалению, попытки повторить эти результаты успеха не имели. Один физик предложил специальный термин: «невоспроизводимые сверхпроводники». И теперь никто не хотел попадать впросак.

Мог ли кто предполагать, что пройдут считанные месяцы и критическая температура керамических сверхпроводников возрастет еще на несколько десятков кельвинов, а их первооткрыватели А. Мюллер и Г. Беднорц будут удостоены Нобелевской премии по физике за 1987 год. Это, пожалуй, единственный случай в практике присуждения нобелевских наград, когда открытие получило столь быстрое признание.

А. Мюллер родился в 1927 году в городе Базеле, в Швейцарии. В 1958 году он окончил знаменитую Федеральную высшую политехническую школу в Цюрихе (Цюрихский политехникум). В 1962 году защитил докторскую диссертацию.

Профессор Мюллер — один из ведущих в мире специалистов по физике твердого тела. В фирме ИБМ он работает уже свыше 25 лет, является членом ее научного совета.

Г. Беднорц значительно моложе своего коллеги. Он родился в 1950 году в небольшом западногерманском городе Нойнкирхине. Высшее образование получил в одном из старейших в стране университете города Мюнстера (ФРГ). В 1982 году защитил докторскую диссертацию в Цюрихском политехникуме и был принят на работу в фирму ИБМ.

Область научных интересов Мюллера и Беднорца совпала. Их первая совместная публикация появилась в 1983 году.

Но наиболее выдающихся научных результатов они достигли не в той области, в которой специализировались. В физике сверхпроводимости они были новичками.

Однако следует ли считать их успех делом случая? В науке все взаимосвязано. Подлинные ученые не ограничивают свои интересы какой?либо узкой областью. К таким разносторонним ученым принадлежит и профессор А. Мюллер.

Оксидные соединения исследовались в разных странах начиная с 60–х годов.

В июньском номере за 1979 год «Журнала неорганической химии» была опубликована статья сотрудников Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова Академии наук СССР И. С. Шаплыгина, Б. Г. Кахана и В. Б. Лазарева.

Авторы исследовали некоторые оксиды, в том числе барий — лантан — медь — кислород. Обратите внимание: это то же самое соединение, о котором шла речь выше. Ученые проверили его на электрическую проводимость вплоть до азотных температур и… остановились. Можно сказать, они держали в руках жар — птицу и… упустили ее.

…Среди ученых, которые с самого начала отнеслись с доверием к сообщению из Швейцарии, был американский физик Пол Чу, возглавляющий небольшую, скромно оснащенную исследовательскую группу в Хьюстонском университете.

Чу не только воспроизвел результаты физиков из Цюриха, но и пошел дальше.

В хьюстонской лаборатории есть установка для испытания материалов под высоким давлением.

Имея в своем распоряжении такую аппаратуру» Чу решил подвергнуть соединение лантан — барий — медь — кисло — род действию высокого давления.

— Словно произошло чудо, — рассказывал Чу, — температура перехода в сверхпроводящее состояние взвилась, словно ракета.

При давлении 10 тысяч атмосфер она возросла до 52 К.

«Давление срабатывает, — подумал Чу, — по — тому, что оно расщепляет молекулярную структуру вещества, а это каким?то образом поднимает его температуру сверхпроводимости».

Исследователю приходит в голову мысль: «сжать» вещество изнутри, заменив барий стронцием — элементом, схожим с барием, но с меньшей атомной массой.

Опыт увенчался успехом.

Температура сверхпроводящего перехода соединения лантан — стронций — медь — кислород оказалась равной 36К при нормальном атмосферном давлении.

Итак, после многолетних поисков застарелый рекорд 1973 года (23,4К) был превзойден почти на 13 кельвинов.

После такого выдающегося успеха все крупные лаборатории мира, занимающиеся изучением сверхпроводимости, активно включились в поиск и исследование новых металлооксидных сверхпроводников.

В первых главах книги мы рассказали о том, как ученые наперегонки стремились ворваться в область абсолютного нуля температуры.

Теперь перед соревнующимися предстала обратная задача: вырваться подальше из плена гелиевых температур.

И на этот раз, сделав стремительный рывок, вышла вперед группа Чу.

Сначала Чу решил еще сильнее «сжать» исходное вещество, заменив стронций элементом с еще меньшей атомной массой — кальцием.

Но увы! Температура сверхпроводящего перехода упала до 20К.

Казалось, дело зашло в тупик.

Тогда Чу предложил взяться за лантан — редкоземельный компонент соединения.

Мо Куэн Ву, бывший аспирант Чу, возглавляющий часть его группы, которая работала в Ала бамском университете, заменил лантан другим редкоземельным элементом — иттрием.

…Был на исходе январь 1987 года. Мир еще не знал о событиях, происходящих в те дни в стенах университетской лаборатории в городе Ханствилл, на юге США.

Приготовив образец соединения иттрий — барий- медь — кислород, Ву и его коллеги приступили к испытаниям… К их изумлению, электрическое сопротивление образца начало резко падать при неправдоподобно высокой температуре 93К.

«Мы были так возбуждены и так нервничали, — вспоминает Ву, — что руки у нас тряслись. Сначала мы подозревали, что произошла ошибка».

Повторив через несколько дней эксперимент, Чу и Ву добились перехода вещества в сверхпроводящее состояние еще при более высокой температуре: 98К.

Почти одновременно образцы иттрий — бариевой керамики с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100К были получены группой А. И. Головашкина в лаборатории сверхпроводимости Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР, а также в ряде других лабораторий и институтов Советского Союза.

Такие сверхпроводники можно охлаждать жидким азотом (температура его кипения 77К).

Нетрудно представить, насколько проще, дешевле и надежнее сделаются сверхпроводящие устройства, охлаждаемые жидким азотом. Это легкодоступное вещество, извлекаемое почти в буквальном смысле слова из… воздуха. Достаточно сказать, что литр жидкого азота стоит меньше, чем, скажем, литр молока или литр лимонада, а хранить его можно в обычном термосе.

Открытие керамических высокотемпературных сверхпроводников вызвало интерес во всем мире. В промышленно развитых странах возрастающими темпами разворачиваются работы по дальнейшему усовершенствованию высокотемпературных сверхпроводников, созданию новых сверхпроводящих устройств.

Взгляните на график, иллюстрирующий рост критической температуры сверхпроводников в течение календарного времени.

На протяжении многих десятилетий эта кривая медленно, словно нехотя, поднималась вверх.

За период с 1911 по 1986 год, то есть за 75 лет, критическую температуру удалось увеличить всего на 20 кельвинов, то есть прирост составлял в среднем чуть больше четверти кельвина в год. Легко рассчитать, что при дальнейшем продвижении такими темпами исследователи достигли бы рубежа азотных температур где?то в середине XXII века.

Как в природе, так и в обществе периоды плавного эволюционного развития сменяются революционными скачками.

Революция в области сверхпроводимости произошла в конце 1986—начале 1987 года, когда критическая температура увеличилась скачком на 70 кельвинов (жирный участок кривой на графике).

В дни, когда пишутся эти строки, революция в области сверхпроводимости продолжается.

130… 150… 170… 200… и даже 500 кельвинов… Такие сообщения о достигнутой температуре сверхпроводящего перехода поступают из разных источников.

Какие из этих результатов окажутся достаточно достоверными, а кто в пылу «сверхпроводящей лихорадки» принял желаемое за достигнутое, пока сказать трудно.

Трудные ступени критической температуры сверхпроводников: 1— ртуть; 2— свинец; 3— ниобий; 4— ниобий — олово; 5— ниобий — германий; 6— лантан — стронций — медь-кислород; 7— иттрий — барий — медь — кислород. Температура кипения: А — жидкого гелия, Б — жидкого водорода, В — жидкого азота.

Согласно поверью древних, Земля стоит на трех китах.

Три «кита», на которых держится сверхпроводимость, это — критическая температура, критическое магнитное поле и критический ток.

Варьируя состав керамики иттрий — барий- медь — кислород, исследователи получили соединение, которому присвоили название: фаза «один- два — три», отражающее количественное соотношение его составляющих — иттрия, бария и меди.

Критическая температура этого соединения, в зависимости от способа приготовления образцов и режима их термообработки, лежит в пределах 94—98К, что примерно на 20 кельвинов выше точки кипения жидкого азота.

Рассказывая об истории открытия высокотемпературных сверхпроводников, автор намеренно избегал термина «критическая температура». У первых керамических высокотемпературных сверхпроводников переход в сверхпроводящее состояние был «размыт»: электрическое сопротивление не сразу падало до нуля, а лишь при дополнительном охлаждении на несколько, а порой на десяток кельвинов.

У иттрий — бариевых сверхпроводников состава «один — два — три» при достижении критической тем — пературы электрическое сопротивление почти сразу падает до нуля.

Примечательно, что в данном случае цифры «один — два — три» оказались «магическими».

Все соединения типа иттрий — барий — медь — кисло- род состава «один — два — три», в которых вместо иттрия последовательно брали редкоземельные элементы: скандий, европий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, являются сверхпроводниками с критической температурой от 85 до 96К.

Еще раз автор напоминает читателю, что при критической температуре критическое магнитное поле и критический ток равны нулю и увеличиваются по мере отхода от критической в сторону более низких температур.

Поэтому особое значение приобретает то обстоятельство, что иттрий — бариевые сверхпроводники можно охлаждать с помощью жидкого азота до температуры на 20К ниже критической. Такой «запас прочности» обеспечивает получение достаточно больших критических магнитных полей и критических токов.

Верхнее критическое магнитное поле иттрий — ба- риевых сверхпроводников достигает 100 тесла, что значительно превышает прежний рекорд 60 тесла, наблюдаемый у одного из соединений на основе сульфидов молибдена. Помните, об этом рассказывалось в шестой главе.

Еще сравнительно недавно исследователей удручало, что критический ток керамических сверхпроводников имеет мизерную величину, значительно меньшую, чем у «классических» сверхпроводников. Плотность критического тока не превышала нескольких ампер на квадратный сантиметр.

Путем усовершенствования технологии изготовления удалось увеличить плотность критического тока иттрий — бариевых сверхпроводников до 10 тысяч ампер на квадратный сантиметр. Иными словами, через стержень сечением в один квадратный сантиметр, охлаждаемый жидким азотом, можно пропускать без каких?либо потерь ток силой десять тысяч ампер.

Значительно большая плотность критического тока получена на керамических сверхпроводящих пленках.

Оригинальный способ синтеза сверхпроводящих пленок методом напыления с помощью лазера разработан в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР. Такая пленка отличается высокой стабильностью, а плотность тока составляет 2,6 миллиона ампер на квадратный сантиметр.

В календаре открытий высокотемпературной сверхпроводимости месяц январь встречается дважды.

В конце января 1987 года был открыт, как читатель, наверное, помнит, иттрий — бариевый высокотемпературный сверхпроводник.

Спустя год, в конце января 1988 года, ученый мир узнал, что открыт новый высокотемпературный сверхпроводник — висмутовая керамика. Стал известен и ее состав: две части висмута, три части стронция и кальция, две части меди, восемь частей кислорода.

У висмутовой керамики критический ток примерно такой же, как у иттрий — бариевой, но она имеет ряд преимуществ: более стабильна, химически стойкая, менее хрупкая.

Ожидается, что по плотности тока и некоторым другим характеристикам висмутовая керамика превзойдет своих предшественниц. К тому же она дешевле, так как не содержит редкоземельный элемент иттрий, который в десять раз дороже висмута. В лабораториях СССР, Японии, США проводятся интенсивные исследования этого перспективного высокотемпературного сверхпроводника.

Одним из главных препятствий для промышленного применения керамических сверхпроводников является их хрупкость. Но ведь, как читатель уже знает, хрупкостью отличается и сплав ниобий — олово. А сверхпроводящие провода и кабели из него уже не первый год успешно используют в технике и промышленности, даже на таких ответственных участках, как экспериментальные установки термоядерного синтеза.

Но керамические сверхпроводники имеют и свои специфические особенности.

Известно, что одной из составных частей существующих сверхпроводящих проводов является медь. Однако у керамических сверхпроводников «дружба» с медью пока не состоялась: керамика содержит кислород, а медь быстро окисляется.

Чтобы керамику можно было использовать для изготовления проводов и кабелей, предстоит решить нелегкие технологические задачи.

Промышленность уже изготовляет керамические сверхпроводники в виде колец, пластин, цилиндриков.

Процесс изготовления сверхпроводящей керамики достаточно прост.

Смесь порошков — исходных компонентов соединения, тщательно измельченных и перемешанных в нужной пропорции, — прокаливается на воздухе при температуре 950 °C в течение 12 часов. После охлаждения до комнатной температуры будущий сверхпроводник прессуют и придают требуемую форму. Затем еще прокаливают в течение шести часов в атмосфере чистого кислорода и медленно охлаждают.

Недаром один видный советский физик сказал, что керамический сверхпроводник может быть изготовлен даже… на кухне.

…В четвертой главе книги описан эксперимент, демонстрирующий эффект Мейснера в сверхпроводниках, получивший шуточное название «гроб Магомета».

Не менее наглядный опыт сегодня может быть осуществлен с помощью более простых средств, доступных даже школьному физическому кабинету.

Погрузив подвешенное на ниточке колечко из иттрий — бариевой керамики в сосуд с жидким азотом, а затем удалив охлаждающую среду, вы подносите к колечку постоянный магнит.

Что должно при этом произойти со сверхпроводником, вы, наверное, твердо усвоили, если внимательно прочли четвертую главу книги.

Магнитное поле постоянного магнита индуцирует незатухающий ток на поверхности колечка, который в свою очередь возбуждает магнитное поле.

Колечко иттрий — бариевой керамики, предварительно охлажденное в жидком азоте, отталкивается магнитом.

В результате взаимодействия этих полей возникает сила, которая по закону Ленца стремится от — толкнуть колечко от магнита. И колечко отскакивает от магнита, словно бабочка от огня.

Заметьте, на протяжении демонстрации колечко ничем не охлаждается.

В чем секрет этого «фокуса»?

Время отогревания при комнатной температуре колечка, охлажденного в жидком азоте до критической температуры иттрий — бариевой керамики (то есть от 77К до 94—98К), равно примерно 30 секундам. Этого времени вполне достаточно, чтобы уверить неискушенного зрителя, будто бы он наблюдал сверхпроводимость при комнатной температуре.

А в самом деле, возможна ли сверхпроводимость при комнатной температуре и какие для этого требуются условия?

Однозначный ответ на этот вопрос наука дать еще не может. К единому мнению о природе высокотемпературной сверхпроводимости керамики ученые не пришли, хотя гипотез, выдвигаемых теоретиками, очень много.

Надежных экспериментальных данных, подтверждающих или отвергающих ту или иную гипотезу, пока не получено. Трудности усугубляются тем, что керамика имеет поликристаллическую, то есть зернистую структуру. Из?за хаотического расположения зерен результаты измерений колеблются от образца к образцу. Правда, советским ученым уже удалось для исследований синтезировать монокристаллы керамики достаточно большой величины.

С момента открытия сверхпроводимости при низких температурах до теоретического обоснования этого явления прошло, как читатель уже знает, почти полвека… В какой срок уложатся на сей раз теоретики, предугадать трудно.

Однако это не удерживает экспериментаторов в их неуемном стремлении к вершинам высокотемпературной сверхпроводимости.

Когда?то один известный физик высказался, правда по другому поводу, примерно так: можно хорошо играть в шахматы, не зная природы материала, из которого изготовлены шахматные фигуры.

Продолжая подобную аналогию, можно сказать, что гроссмейстеры высокотемпературной сверхпроводимости прекрасно разыграли дебют и перешли в миттельшпиль.

Но в отличие от шахматной партии, где время строго ограничено, невозможно предсказать, не обладая даром ясновидения, как будет протекать в дальнейшем «игра» в сверхпроводимость, длящаяся с начала нынешнего века. Однако, несомненно, проигравших в этой «партии» не будет.