Читать книгу "Драконоборцы. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый"

соответствии с его указаниями: ртуть, замороженная до твёрдого состояния и охлаждённая до 3 градусов Кельвина, была присоединена к гальванометру для измерения её сопротивления. И гальванометр показывал… отсутствие всякого сопротивления столь холодной ртути!

– Это действительно странно, – согласился Андрей. – Словно речка, которая в самый сильный мороз взяла растаяла – и быстро побежала по руслу.

Дзинтара кивнула:

– Верно. Это совершенно противоречило представлениям о природе электрического тока при низких температурах.

Поставив серию опытов, Камерлинг-Оннес убедился, что электросопротивление ртути с понижением температуры падало сначала медленно, а потом – при 4,2 градуса Кельвина – скачком рушилось до нуля. Абсолютно неожиданный результат!

– Зато закономерный! – отметил Андрей. – Ведь профессор создал лучшую в мире лабораторию низких температур и методично исследовал физические свойства веществ при сверхнизких температурах. Он должен был наткнуться на это свойство сильно охлаждённых металлов…

– …которое стали называть сверхпроводимостью! – кивнула Дзинтара.

– Весть о таком странном свойстве металлов мгновенно облетела всё научное сообщество – и уже через два года профессор Камерлинг-Оннес получил за своё открытие Нобелевскую премию. Он стал знаменит, в его честь назван лунный кратер диаметром в 66 км, а также специальная медаль и премия.

А мировое сообщество криогенщиков, физиков и химиков стало ломать головы сразу над двумя проблемами. Экспериментаторы кинулись искать: какие ещё металлы и вещества проявляют сверхпроводимость? И нельзя ли получить сверхпроводящие материалы при обычной температуре, не охлаждая их до почти абсолютного нуля? Это стало бы революцией в электротехнике!

Вторая проблема встала перед теоретиками: она заключалась в том, что никто не понимал – как металл может идеально проводить электрический ток? Как возникает электросопротивление в обычном металле, который имеет довольно много практически свободных электронов? Свободные электроны, толкаемые электрическим полем, движутся среди атомов, сталкиваются с ними и теряют скорость, одновременно раскачивая атомы, то есть нагревая вещество. Эти столкновения электронов с атомами и являются источником электрического сопротивления. Но почему при низких температурах эти столкновения или исчезают, или перестают тормозить электроны?

Первыми достигли успеха экспериментаторы: в 1912 году они выяснили, что в сверхпроводящее состояние могут переходить свинец и олово, причем свинец переходил в сверхпроводящее состояние при 7,3 градуса Кельвина – заметно большей температуре, чем олово или ртуть.

Рекордсменом среди чистых металлов оказался ниобий, который становился сверхпроводящим при 9,2 градуса Кельвина. Дальше пришлось рассматривать сплавы и соединения.

В 1960 году был открыт сверхпроводник с критической температурой в 18 кельвинов. Молекула этого сверхпроводника состояла из трёх атомов ниобия и одного атома олова. После чего прогресс в «гонке сверхпроводников» практически остановился.

Прорывом стало открытие в 1986 году Карлом Мюллером и Георгом Беднорцем нового типа сверхпроводников. Например, соединение, состоящее из лантана, стронция, меди и кислорода, переходило в сверхпроводящее состояние при 36 кельвинах. А соединение иттрия, бария, меди и кислорода стало превращаться в сверхпроводник при температуре большей, чем температура кипения жидкого азота, – 77,4 кельвина.

– Это означает, что для исследования сверхпроводимости и для практического использования сверхпроводников стало можно использовать не дорогостоящий гелий, а дешёвый азот, – уточнил Андрей.

Дзинтара кивнула.

– В 2003 году был открыт керамический сверхпроводник на основе ртути, бария, кальция, меди и кислорода, который имел критическую температуру в 138 кельвинов. Многие вещества – например, сероводород – будут сверхпроводящими и при земных температурах – хотя бы зимой в Антарктиде, где минус 70 градусов по Цельсию, – но только при высоких давлениях. Так что экспериментаторы сделали важный шаг в поиске сверхпроводников при комнатной температуре и при обычном давлении. Конечно, в этих поисках им помогла бы хорошая теория сверхпроводимости – но тут теоретики подкачали, ведь полноценной теории сверхпроводимости, которая бы описывала разные типы сверхпроводников, до сих пор не создано.

Значительное продвижение в создании теории сверхпроводимости было достигнуто теоретиками Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом, работавшими в СССР. Они создали феноменологическую, то есть не затрагивающую микромеханизмы явления, теорию сверхпроводимости Ландау-Гинзбурга.

Первой микроскопической теорией сверхпроводимости стала модель американских физиков Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Она попыталась объяснить, почему электроны в сверхпроводнике не испытывают сопротивления от атомов вещества. Модель БКШ стала рассматривать объединение электронов в стаю…

– Как это возможно? – удивилась Галатея. – Электроны отталкиваются друг от друга.

– Да, когда они в свободном состоянии. Когда же они движутся в кристаллической решетке, то посылают друг другу сигналы с помощью фононов – особых колебаний решетки. И этот обмен позволяет им создавать пары, которые стали называть «электронными парами БКШ».

Галатея продолжала недоумевать. Тогда на помощь пришёл Андрей:

– Помнишь, мы потеряли друг друга в зарослях кукурузы? Тогда я пошёл туда, где сильнее всего качалась и шелестела кукуруза, – и нашёл тебя!

– Верно, нашёл… – кивнула Галатея, пытаясь представить себя электроном, а шелестение кукурузы – фононом.

Дзинтара продолжила:

– Но теория БКШ, за которую авторы получили в 1972 году Нобелевскую премию, не ответила на главный вопрос, интересующий экспериментаторов, – как вычислять критическую температуру для конкретных соединений?

Если узнать, от каких параметров вещества она зависит, то можно было бы сразу найти самый высокотемпературный проводник. Более того, если низкотемпературные проводники – с критической температурой ниже 77 кельвинов – обычно подчинялись теории БКШ, то высокотемпературные керамические сверхпроводники капризничали и подчиняться теории БКШ не хотели…

– В нагретых проводниках много тепловых шумов, то есть фононов, – задумался Андрей. – Я бы тоже не смог найти Галатею среди кукурузы, если бы дул сильный ветер!

– …поэтому учёным пришлось вводить дополнительную классификацию сверхпроводников: на те, которые следуют уравнениям Бардина-Купера-Шриффера, и на те, которые – нет. Универсальная теория сверхпроводимости до сих пор не создана, поэтому экспериментаторы двигаются вперёд на ощупь.

– Давайте создадим её, эту теорию! – загорелась Галатея.

Дзинтара засмеялась.

– Это непростое дело – теории создавать. Ни вы, ни я такой квалификацией не обладаем.

– Но поразмышлять-то можно? – неожиданно поддержал младшую сестру старший Андрей, который обычно был гораздо сдержаннее. – Вот я слушал тебя и вспоминал эффект Мёссбауэра из прошлой сказки. Когда Мёссбауэр охладил кристалл до температуры жидкого азота, то все гамма-кванты из кристалла стали вылетать с одинаковой энергией, потому что кристалл при низкой температуре стал такой прочный, что отдача кванта пришлась не на один атом, а на сто миллионов атомов. В результате гамма-квант оказался неспособен отдать свою энергию упругой и массивной кристаллической решётке!

– Ага… – задумчиво протянула Галатея. – И ты думаешь, что такой же эффект наблюдается в сверхпроводниках?

– Возможно! – кивнул Андрей. – Ведь при низких температурах атомные решётки должны быть как единое целое – и электрон, налетев на один атом, на самом деле