Сверхпроводимость и вихри Абрикосова

Сохранить в закладки
15924
4
Сохранить в закладки

Физик Седрик Уэбер о первых экспериментах с низкими температурами, сверхпроводимых материалах и магнетизме

В рамках нашего нового проекта «Капица — Резерфорд», посвященного отношениям российской и британской науки, физик Седрик Уэбер рассказывает ПостНауке об открытии феномена сверхпроводимости в начале ХХ века. Лекция на английском языке, но для читателей ПостНауки мы сделали перевод транскрипта.

 

Сверхпроводимость — невероятный феномен, который лучше всего объяснили несколько физиков ХХ века. Я расскажу вам, с чего все началось. Все началось в начале XX века с очень простого эксперимента. Его проводил Хейке Оннес, которому удалось охладить материю до 9 К. В этот момент он понял, что, охлаждая материю, можно наблюдать феномены нового типа. Очень простой феномен, который проявился в этом эксперименте, заключался в том, что металлическое состояние достигалось без сопротивления.

 

Что это означает? Это значит, что вы можете взять определенный материал, запустить в него ток, который будет течь безо всякого сопротивления. Для физики начала ХХ века это шло вразрез с ожидаемой феноменологией. Охлаждая материю, ученые ожидали увидеть ограниченное сопротивление и некое рассеивание. Так что это был очень неожиданный результат. Согласно легенде, он был получен аспирантом Оннеса, который занимался охлаждением ртути. Во время эксперимента он уснул, а когда проснулся наутро, то обнаружил, что сопротивление приближалось к 0, а эксперимент не прекращался. Это было самым холодным местом на Земле. Их открытие стало прорывом, потому что выявило новый феномен, который еще предстояло объяснить.

 

Нужно иметь в виду, что в то время люди думали, что в физике они поняли все. Это было время, когда Эйнштейн объяснил броуновское движение. Все считали, что со временем им нужно будет лишь вносить некоторые поправки, но в целом они думали, что им известно все. Но кроме того, это были самые увлекательные времена, потому что люди осознали, что для понимания сверхпроводимости им придется разработать совершенно новые идеи и концепты, которые в будущем приведут к квантовой физике и квантовым технологиям. Даже сегодня мы все еще используем некоторые достижения, полученные благодаря этому открытию. Итак, это было чрезвычайно важное открытие. Естественно, физики пытались объяснить сверхпроводимость, но полного понимания этого феномена не существует даже сегодня.

Почему понять ее настолько сложно? Потому что для этого требуется понимание квантовой физики. Мы имеем дело с низкими температурами, мы должны понимать поведение электронов в материалах. Оказывается, что эти электроны не ведут себя так, как должны. Обычно в сверхпроводниках мы объединяем две пары электронов. Электроны решают создать пары, и вместо того, чтобы вести себя как единичная частица, они формируют пары и двигаются в дуэте. Динамика в таких материалах была нам раньше неизвестна, потому что электроны здесь двигаются не по отдельности, а вместе.

 

Существует аналогия, которую иногда используют для объяснения такого поведения: если сравнить электроны с лыжниками, то одиночный электрон, спускаясь по склону, будет врезаться в кочки. Идея сверхпроводимости заключается в том, что не один лыжник спускается по склону, а один лыжник над склоном и его зеркальное отражение — под ним. Они будут держаться вместе и, когда столкнутся с кочкой, будут двигаться таким образом, что смогут избежать сопротивления, вызванного кочкой. Так иногда иллюстрируют сверхпроводимость.

 

В физических категориях на самом деле электроны взаимодействуют друг с другом на основании небольшого колебания, которое исходит от решетки материала. Любой материал немного вибрирует. Это колебание вызывает взаимодействие между электронами. Взаимодействие между электронами создает так называемые куперовские пары. Когда это все стало понятно, у экспериментаторов, химиков и физиков возникла огромная мотивация создать новые материалы, в которых присутствует этот феномен, чтобы использовать их в быту.

 

Что препятствует нам сегодня? Почему мы не можем получить материалы, в которых нет сопротивления? Проблема в том, что этот феномен исчезает при определенных температурах и работает только тогда, когда материал достаточно охлажден. Материалы должны быть достаточно холодными, чтобы в них возникла сверхпроводимость. В зависимости от материала этот феномен может наблюдаться при разных температурах — мы называем их критической температурой.

 

Главный план был найти материалы, в которых наблюдается феномен сверхпроводимости при максимально высоких температурах, чтобы их можно было использовать в наших машинах, холодильниках и любых других приборах. Так началось большое соревнование по поиску вероятных комбинаций материалов и максимально возможных критических температур. Ученые перепробовали буквально все. Так продолжалось до одного дня в 1960-х.

 

В какой-то момент мотивация пошла на спад, потому что максимально удалось достигнуть температуры в 20 К. Для достижения такой температуры нужно использовать жидкий гелий. Гелий — это газ, который тяжело охладить. Поэтому эксперимент по охлаждению гелия достаточно дорогой. В плане коммерческого применения он достаточно ограничен. В определенный момент людей перестал интересовать этот вопрос. Как только они перепробовали все варианты, они осознали, что это максимум, что они могут получить. Поэтому эта сфера исследований после 1960-х годов перешла в пассивную фазу, и ученые больше не знали, что еще они могут испытать. Так было до одного дня. В Швейцарии, Цюрихе, Беднорц и Мюллер нашли достаточно неожиданный способ получить лучший сверхпроводник из материала, в котором никто не ожидал увидеть такой эффект: они нашли сверхпроводимость в керамике.

Что такое керамика? Керамика — это наименее вероятный сверхпроводник. Она ничего не проводит, не проводит электричество. Это скорее то, что обычно используют как изоляционный материал, чтобы защититься от температуры или электричества. Таким образом, они взяли наименее возможный проводник, немного поменяли его структуру и нашли самый лучший сверхпроводник в истории. Сверхпроводник при температуре около 35 К — это наилучший из всех предыдущих результатов. Найти сверхпроводимость в керамике — это по-настоящему новаторская идея, так как керамика — это материал, от которого обычно вообще не ожидают проводимости.

 

Эти воодушевленные физики испробовали все возможные комбинации материалов, основанные на керамике. Очень скоро они нашли сверхпроводимость при температуре в 150 К. Это очень важно для применения таких материалов, потому что 150 К — это температура, которая выше температуры перехода в процессе охлаждения азота. Жидкий азот мало стоит, благодаря чему мы имеем очень дешевый способ получить сверхпроводник, основанный на очень простых материалах, в составе которых есть медь и кислород. Это был огромный прорыв. Феномен получил название ВТСП — высокотемпературная сверхпроводимость.

 

Понимание этого феномена превратилось в сложную задачу, решением которой занимался российский физик-теоретик Андрей Абрикосов. До совершения этого открытия он предсказал, что в некоторых сверхпроводимых материалах можно будет получить новые эффекты. В целом идея заключалась в том, что такой сверхпроводник будет вести себя наполовину как обычный материал, а наполовину как сверхпроводник. Особенно он отмечал, что такой материал позволит внешнему магнитному полю проникнуть в него, но лишь в некоторые области — в вихри.

 

Абрикосов был теоретиком и сделал несколько очень умных предсказаний. Долгое время эти эффекты не наблюдались экспериментально, до тех пор пока не начали проводить эксперименты, основанные на сканирующей туннельной микроскопии, во всем мире, в частности в Великобритании, США. Они буквально подтвердили предсказания Абрикосова. Этот эффект до сих пор называется вихревой решеткой Абрикосова, указывающей на магнитный поток, проникающий в сверхпроводник.

 

Итак, какие основные сложности и вызовы для понимания этого материала? До настоящего времени не существует полной теории высокотемпературной сверхпроводимости. Сложно сказать, как выглядит окончательное решение этой проблемы. Мы знаем несколько фактов. Мы знаем, что сверхпроводимость в материалах, основанных на керамике, зачастую конкурирует с другими свойствами материалов, такими как магнетизм. В этом заключается основная проблема. В наши дни мы пытаемся ответить на вопрос «Как получить сверхпроводимость, минуя магнитную фазу?». На этом мы остановились на сегодняшний день. Так выглядят основные сложности для понимания высокотемпературной сверхпроводимости.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration