Проблема № 2

Александр Китайгородский

Проблема № 2

Статья о явлении сверхпроводимости из журнала «Техника – молодежи» № 11, 1975

Степень важности той или иной задачи можно оценивать с разных позиций, кроме того – тут уж никуда не денешься, – дела, которым ты посвятил свою научную жизнь, кажутся главными. Поэтому наивно рассчитывать, что все мои коллеги согласятся с такой расстановкой номеров. И тем не менее… большинство исследователей, оценивающих значимость научных свершений по той роли, которую они будут играть в развитии человеческой цивилизации, поставят на первое место среди проблем, которые надлежит решать физикам, создание управляемых термоядерных реакторов, а на второе – поиск материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре.

Сознание важности проблемы № 2 пришло куда позднее, чем общественное признание «термояда». Термоядерный взрыв открыт давно. Физические законы, лежащие в основе этого явления, очевидны. Речь идет «лишь» (о, это «лишь», которое стоит титанических усилий!) о том, чтобы замедлить реакцию слияния ядер и сделать ее управляемой. Последствия, которые будет иметь это открытие для человечества, столь очевидны, что на работы в области создания мирных термоядерных генераторов выделяются весьма значительные средства. Сотни лабораторий, тысячи исследователей трудятся в области теории термоядерных реакций, конструируют разнообразные ловушки, способные удерживать в пространстве без соприкосновения со стенками плазму, находящуюся при температурах в миллионы градусов, придумывают новые приемы слияния ядер. Если дело пойдет, то человечество получит в свое распоряжение количества энергии, достаточные для претворения самых дерзких мечтаний.

Уже более 20 лет занимается армия ученых решением проблемы № 1. Прогресс очевиден. Уменьшается число неясностей, в лабиринте, ведущем к открытию, уже обнаружены тупики. Уверенность в том, что поставленная цель будет достигнута, все крепнет, и энергия исследователей, занимающихся созданием управляемого «термояда», растет непрерывно.

История проблемы № 2 сложилась совсем иначе. Хотя сверхпроводимость открыта задолго до того, как слова «атомная энергия» стали привычными, мысль о практической значимости столь уникального состояния материалов стала зреть в сознании ученых и промышленников лишь недавно.

Само явление было обнаружено в 1911 году. При температурах жидкого гелия 4° выше абсолютного нуля (–273 °C или 0 °К) физики встретились с металлами, потерявшими электрическое сопротивление.

Трудно, разумеется, переоценить возможность передачи электроэнергии по проводам без потерь. Но, пожалуй, еще важнее перспектива создания «бесплатных» электромагнитов, поскольку с их помощью можно получить поля в сотни тысяч гаусс. Несмотря на сложность работы с жидким гелием, их уже строят во многих областях науки и техники. В оправдание затрат, связанных с поддержанием сверхпроводящего состояния, достаточно сказать, что обычный электромагнит подобной мощности потребовал бы электроэнергии, которую поглощает современный город с 20 тыс. жителей.

Но почему же о технических возможностях сверхпроводимости стали задумываться лишь в последнее время?

Скорее всего это объясняется тем, что более или менее законченная ее теория была дана лишь в 1957 году. До тех пор специалисты без особых раздумий относили явление к «причудам» природы при «неземном» космическом холоде. Разумеется, они перепробовали огромное количество металлов и сплавов в надежде найти среди них такие, которые переходили бы в сверхпроводящее состояние при более высоких температурах. Однако все эти попытки остались безуспешными. 10–20 °К – вот чего удалось добиться в течение многолетних изысканий.

Вполне естественно, что в поисках сверхпроводников исследователи ограничивались исключительно металлами и металлическими сплавами. Логика очевидна: ведь они лучшие проводники электрического тока. После же того, как теория, кстати, весьма хитроумная (не случайно же между открытием факта и его объяснением прошел столь длительный срок!), была найдена, специалисты постепенно стали задавать себе такой вопрос: «А, собственно, почему сверхпроводники надо искать в классе металлов? Ведь сверхпроводящее состояние ничуть не похоже на обычное проводящее…»

Теперь я сделаю робкую попытку объяснить, нет, пожалуй, лишь намекнуть читателю, в чем заключается различие между сверхпроводящим и проводящим состояниями твердых тел.

Лекторы знают: если желаешь быть понятым, то строй свой рассказ так, чтобы, по крайней мере, половина сведений, которые ты сообщаешь аудитории, была ей известна. Я надеюсь, что к этой половине относятся следующие утверждения. Атом представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное отрицательными электронами. Из них внешние отрываются от него с наименьшими усилиями. Особенность металла в том, что его атомы отдают часть внешних электронов в общее пользование. Эти обобщенные электроны называют иногда электронным газом. В нормальном состоянии они ведут себя как индивидуалисты: беспорядочно мечутся среди атомов. Когда провод подключен к сети, аккумулятору или батарейке, толпа электронов начинает перемещаться вдоль него. Но хаотичность движения сохраняется: электроны наталкиваются на атомы, мешают друг другу. В этом и заключается причина электрического сопротивления. Чем выше температура, тем больше беспорядок, царящий внутри металла, тем значительнее сопротивление.

Еще в XIX веке было установлено, что в мире атомов существуют две противоположные тенденции: стремление к беспорядку, который возникает благодаря тепловому движению – неотъемлемому свойству материи, и стремление к упорядоченному расположению и движению частиц, которому соответствует наибольшая устойчивость. По последней причине газ при снижении температуры сгущается в жидкость, а жидкость затвердевает в кристалл – идеал порядка: атомы расположены на одинаковых расстояниях друг от друга, а движения их согласованы и напоминают морские волны.

Теория сверхпроводимости показала, что подобные две тенденции имеют отношение и к перемещению электронов. Когда температура достигает некоторого критического значения, часть электронов начинает выстраиваться в ряды и двигаться в такт. По мере понижения температуры беспорядочная толпа электронов редеет, и один за одним «индивидуалисты» подстраиваются к «маршевым ротам». Соразмеряя свой «шаг» с движениями окружающих их атомов и несвободных электронов, «роты» делают бросок вдоль проводника без сопротивления, подтверждая поговорку – «в единении сила».

Взяв на вооружение такую модель, оказалось возможным прикидывать: каковы же те условия, когда переход в сверхпроводящее состояние совершается при достаточно высоких температурах?

Увы, сама теория пока далека от совершенства. Она не способна объяснить, почему один металл становится сверхпроводником при температуре, скажем, 8 °К, а у его соседа по менделеевской таблице, тоже металла, необычное состояние не возникает и в сотых градуса от абсолютного нуля.

Тем не менее эта теория высоко ценится физиками. Некоторые ее экспериментально проверенные выводы и служат нам путеводными нитями, указаниями при подготовке планов, как добраться до «высокотемпературных» сверхпроводников. Заветная мечта – получить материал, чудесные свойства которого проявлялись бы при комнатной температуре. Но даже если бы удалось создать вещество, превращающееся в сверхпроводник при температуре легкодоступного и относительно дешевого жидкого азота 77 °К, то и это было бы огромной победой.

Упомяну только об одном из теоретических указаний. Для того чтобы «маршевая рота» втянула бы в свое упорядоченное движение окружающие несвободные (привязанные к своему месту) электроны, частички остова должны быть полегче.

А раз так, то поиск новых сверхпроводников можно направить по трем направлениям. Во-первых, не попытаться ли получить металлический водород – ведь более легких ядер нет на свете? Вторая идея, принадлежащая американскому профессору Литтлу: нельзя ли создать длинную молекулу с проводящим «хребтом», а порядок в перемещении частичек вдоль «хребта» поддерживался бы довесками несвободных, но легко смещающихся электронов? И наконец, третья идея, предложенная и разрабатываемая в Физическом институте АН СССР академиком В. Гинзбургом и его учениками: не составить ли «бутерброд» из толстых кусков изолятора и тонкого металлического слоя между ними? К внешним обкладкам предъявляется то же требование, что и к довескам в модели Литтла: их электроны, оставаясь связанными со «своими» атомами, должны быть легкоподвижными. Лишь в этом случае они будут поддерживать маршевое движение электронов проводимости вдоль металлического слоя.