Открытие явления сверхпроводимости — это одно из главных открытий физики XX века. Сверхпроводимость открыл в 1911 году Камерлинг-Оннес, который научился сжижать газ гелий. Гелий становится жидким при очень низких температурах, около 2.4 кельвина. Он стал охлаждать до сверхнизких температур разные вещества и мерить их электрические свойства, такие как сопротивление. Классическая теория утверждала, что сопротивление должно медленно, плавно уменьшаться с уменьшением температуры. Камерлинг-Оннес измерил, как сопротивление ртути медленно и плавно уменьшается, однако потом выяснилось, что при критической температуре около 4 кельвинов оно вдруг перестает медленно и плавно уменьшаться, а обращается точно в ноль. Это явление обращения сопротивления в ноль, а проводимости (величины, обратной сопротивлению) — в бесконечность было названо Камерлингом-Оннесом сверхпроводимостью.

1. Связь сверхпроводимости и сверхтекучести

В течение многих десятилетий люди пытались объяснить, как же это происходит. Объяснить это удалось после того, как Петр Капица обнаружил родственное явление — сверхтекучесть, когда жидкий гелий (тот самый, который использовал Камерлинг-Оннес) продемонстрировал полную потерю вязкости. Он перестал цепляться за стенки, а стал просачиваться в любые мельчайшие щели, в любой капилляр без всякого трения, без вязкости.

Для описания явления сверхтекучести Ландау написал теоретическую модель. Он создал теорию фазовых переходов второго рода, которая, не вдаваясь в микромодель, объяснила общие закономерности этих процессов — фазового перехода в сверхтекучие жидкости. Затем Ландау и Гинзбург обобщили эту теорию на сверхпроводники. Появилась знаменитая теория Ландау и Гинзбурга, которой сейчас пользуются, наверное, все люди, занимающиеся транспортом, в полупроводниковых кристаллах, в металлах, в сверхпроводниках. Эта теория при всем своем великолепии не объясняла микроскопического механизма возникновения сверхпроводимости.

2. Теория Бардина — Купера — Шриффера

Тут появились американцы Бардин, Купер и Шриффер, которые создали знаменитую модель БКШ. Они объяснили, что электроны, которые, как всем известно, переносят электрический ток в металле, ведут себя так, как автомобили на улицах Москвы, то есть они движутся крайне неупорядоченно: кто-то останавливается, кто-то сзади на него наезжает, кто-то, наоборот, ускоряется и обгоняет — в результате образуется пробка, из-за этих пробок и возникает сопротивление. В сверхтекучей жидкости или в сверхпроводнике все носители заряда начинают двигаться с абсолютно одинаковой скоростью. Нетрудно себе представить, что в этом случае пробок не будет: если все машины на шоссе поедут с одинаковой скоростью, то пробке возникнуть негде. Парадокс заключается в том, что электронам запрещено ездить с одинаковой скоростью. Есть принцип Паули, который говорит, что любые два фермиона (электроны — частицы с полуцелым спином — являются фермионами) ни в коем случае не могут находиться в одном квантовом состоянии, то есть не могут обладать абсолютно одинаковой скоростью. Эту проблему решили Бардин, Купер и Шриффер. Их теория рассматривает спаривание электронов. Если взять два фермиона, два полуцелых спина, и сложить вместе, то получится частица со спином, равным единице или нулю в зависимости от взаимной ориентации спинов двух электронов. Таким образом, спин электронной пары есть целое число. Частицы с целым спинами — это бозоны, которые стремятся образовывать так называемые бозе-эйнштейновские конденсаты. Такие конденсаты — это как раз скопления частиц, которые все сидят в одном квантовом состоянии, все имеют одну скорость. А если все частицы имеют одну скорость, то никаких проблем с пробками не будет, возникнет сверхпроводимость. Эта микроскопическая модель сверхпроводимости была сформулирована в 50-е годы XX века.

Дальше выяснилось, что эта теория не всегда очень хорошо работает. В 80-е годы XX века были открыты высокотемпературные проводники, для которых детальная теория до сих пор не построена. Но самое главное, что не удалось теоретикам предсказать, — это какой материал взять и как над ним поработать, чтоб получить сверхпроводимость при комнатной температуре. Всем хочется получить сверхпроводимость при комнатной температуре, потому что сверхпроводящий ток распространяется без потерь. Представьте, что мы сможем отправлять ток на тысячи километров без всяких потерь. Это принесет большую экономическую выгоду. Но как это сделать? Вы же не будете охлаждать электрические кабели до сверхнизких температур, так как это очень дорого. Поэтому задача получения сверхпроводимости при комнатной температуре до сих пор стоит и является одной из главных проблем современной физики.

3. Бозе-эйнштейновская конденсация при комнатной температуре

В 2010 году появился новый вариант решения проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. Удалось при комнатной температуре пронаблюдать экспериментально схожее явление, которое называется бозе-эйнштейновской конденсацией. В этом процессе частицы также садятся в одно квантовое состояние с определенной фиксированной скоростью, но эти частицы незаряженные, тока они не переносят. Бозе-эйнштейновская конденсация квазичастиц — экситонов и экситонных поляритонов — была обнаружена при достаточно высоких температурах, экситонные поляритоны конденсируются уже при комнатной температуре. Остается только сконденсировать заряженные частицы при комнатной температуре. Выяснилось, что это можно сделать, если рядом со слоем металла поместить бозе-эйнштейновский конденсат экситонов или поляритонов, отделенный от электронного газа в металле несколькими межатомными расстояниями. Тогда взаимодействие электронов из металла с конденсатом этих поляритонов приводит к тому, что электроны начинают притягивать друг друга и формировать те самые куперовские пары. Силу этого притяжения можно регулировать, потому что она определяется количеством частиц в конденсате, а мы можем создать конденсат очень большого частиц, например, при помощи резонансной оптической накачки. Таким образом, возникла удивительная перспектива создания светоиндуцированных сверхпроводников, которые работали бы при очень высоких температурах вплоть до комнатной и выше. Пока что это теоретическая концепция, теперь осталось ее проверить экспериментально. Над этим работают уже многие лаборатории в мире — Кембридж, Цюрих, Хайфа. Я надеюсь, что в России, где, собственно, эти идеи и были сформулированы, найдется экспериментатор, которому захочется пронаблюдать это явление, и найдется государственный чиновник, который даст на эти исследования денег.

4. Светоиндуцированный сверхпроводник

Давайте разберемся подробнее, что конкретно нужно сделать, чтобы получить светоиндуцированный сверхпроводник. Во-первых, надо сказать, что идея так называемой экситонной сверхпроводимости была сформулирована еще Виталием Гинзбургом, нобелевским лауреатом, который когда-то вместе с Ландау создал теорию сверхпроводимости Ландау — Гинзбурга. Гинзбург много занимался вопросом о том, как сделать сверхпроводники с более высокой критической температурой. Даже в своей нобелевской лекции он пропагандировал экситонный механизм сверхпроводимости. Дело в том, что в классической теории Бардина, Купера и Шриффера электроны притягиваются, потому что они, как мячиками, перебрасываются фононами — квантами вибраций кристаллической решетки. Можно себе это представить так: два самолета летают друг за другом по кругу так, что, когда один летит налево, другой летит направо. При этом то один из них поднимается выше, то другой. Тот, что находится выше, сбрасывает парашютиста, который медленно падает и приземляется на крышу того самолета, который ниже, потом самолеты меняются местами, и эта операция повторяется: парашютист снова спрыгивает с одного самолета, приземляется на второй и так далее. Медленно падающий парашютист — это фонон, а летающий быстро самолет — это электрон. Так как самолетам нужно не потерять парашютиста, не допустить его падения, они стараются держаться вместе. Так возникает куперовская пара, которая играет ключевую роль в сверхпроводимости. Гинзбург предложил заменить этого парашютиста другим, который бы их сильнее связывал. Выясняется, что они могут перебрасываться, например, экситонами. В чем преимущество экситона? Экситон состоит из двух заряженных частиц, электрона и дырки. Обладающему зарядом электрону проще взаимодействовать через кулоновские силы, электрические силы, с заряженными частицами, чем с фононом, который незаряжен.

5. Трудности экспериментального подтверждения

Во времена Гинзбурга не удавалось поместить достаточно близко друг к другу электроны в металле и слой полупроводника, в котором можно создать экситоны. Уже совсем недавно, в 2006 году, удалось собрать экситоны и поляритоны в бозе-эйнштейновский конденсат при низких температурах, а в 2008 году — уже при комнатной температуре. Раз они собираются в конденсат, да еще это происходит в слое толщиной всего в несколько межатомных расстояний, то, казалось бы, достаточно просто технически этот слой приблизить к слою металла в некой полупроводниково-металлической структуре, где мы хотим получить сверхпроводимость. Тогда в слое полупроводника светом мы будем возбуждать экситоны и поляритоны, они будут формировать конденсат. Когда они сформируют конденсат, то он будет так хорошо взаимодействовать с электронами в металле, что электроны начнут эффективно друг к другу притягиваться, после чего в металле потечет сверхтекучий ток.

Это концепция, но дальше, как известно, дьявол заключается в деталях. Реализовать такую концепцию оказывается не так просто, потому что возникает множество технических сложностей. К сожалению, физики, особенно экспериментаторы, — люди очень консервативные. Начать делать что-то новое, войти в новую область — это не так просто. Люди, которые занимаются экситонами, как правило, оптики, спектроскописты. Люди, которые занимаются сверхпроводимостью, меряют электрический ток и о свете и слышать не хотят. Поэтому заставить экспериментатора провести такое исследование, в котором были бы свет, оптическая накачка и измерения электронного транспорта, не так просто. Нужен, во-первых, толковый технолог, который вырастит такую структуру, оптимизирует ее; нужен хороший экспериментатор, который сделает этот эксперимент. Если это получится, то, в принципе, это такое открытие, которое может перевернуть очень многое в нашем мире.