Высокотемпературная сверхпроводимость
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Исследование проблемы сверхпроводимости развивается сейчас по двум основным направлениям. Цель первого из них — изучить свойства тех сверхпроводниковых металлических сплавов, которые уже созданы и работают при температурах порядка десяти — двадцати градусов Кельвина с охлаждением их жидким гелием. У них есть много полезных свойств, которые могут и должны найти свое применение. И здесь уже не до размышлений о том, высока или низка их критическая температура. Лучше попытаться использовать все, что можно, из этого довольно обширного арсенала.
Подобными задачами занимаются в Институте физики твердого тела. Причем сталкиваются с целым рядом не только рутинных задач, но, на мой взгляд, и с довольно удивительными и неожиданными вещами. Например, оказывается, что чем металл хуже приготовлен — больше примесей, больше дефектов,— тем он лучше с точки зрения сверхпроводимости.
Другое направление поисков в проблеме сверхпроводимости определилось желанием научиться делать сверхпроводники, у которых критическая температура была бы заметно выше. Лучше всего, чтобы это была сверхпроводимость при комнатной температуре. Но, на худой конец, совсем неплохо повысить температуру хотя бы еще на несколько градусов, чтоб охлаждать их не жидким гелием, а, например, жидким водородом. Это было бы значительно дешевле и проще.
Проблема высокотемпературной сверхпроводимости по ряду моментов несколько похожа на другую проблему, а именно — управляемый термоядерный синтез.
Первый момент — их прикладное значение. В этом смысле из множества физических задач сверхпроводимость стоит ближе всего к проблеме управляемых термоядерных реакций, Причем, может быть, и для получения этих реакций сверхпроводимость окажется незаменимой, чтобы сделать, скажем, более экономичные по энергопотреблению сверхпроводящие магниты. Ведь сейчас термоядерные установки пожирают очень много энергии — пока еще намного больше, чем дают.
Но есть и чисто физические аналогии. Например, в тороидальных магнитных ловушках — «токамаках» — заряженные частицы плазмы движутся практически одномерно — только вдоль силовых линий магнитного поля. Как по ниточке. Такое движение принято называть одномерным, поскольку в уравнения движения таких частиц входит только одна координата.
А самые большие надежды в высокотемпературной сверхпроводимости возлагаются сейчас на соединения, в которых движение электрических зарядов тоже одномерно,— так называемые одномерные проводники.
Надо сказать, что теоретики всегда любили одномерные модели. Обычный мир наш трехмерен, имеет длину, ширину и высоту. Но иногда проще что-то посчитать, если представить, что есть только одна координата и нет двух других, и посмотреть, как бы такой одномерный мир был устроен. Однако обычно это рассматривалось как некая абстрактная, вспомогательная модель, не имеющая отношения к действительности.
А тут вдруг оказалось, что реально могут существовать органические вещества, где электроны находятся в таком одномерном мире. Очень любопытна структура таких соединений: молекулы в них уложены стопками одна на другую, совсем как стопка карандашей. Каждый «карандаш» — это цепочка молекул, причем вдоль цепочки расстояние между молекулами маленькое, а в двух других направлениях, то есть между соседними «карандашами»,— намного больше. Поэтому вдоль цепочки, от молекулы к молекуле, электронам двигаться гораздо легче, чем поперек, с «карандаша» на «карандаш». В силу этого проводимость вдоль стопки в тысячу раз больше, чем в двух других, перпендикулярных направлениях.
Вот и выходит, что когда мы рассматриваем свойства такой системы, отвечающие за ее электропроводность, можно с очень высокой степенью достоверности рассматривать ее как одномерную. Так оказалось, что абстрактные одномерные модели нашли самое непосредственное применение в нашем реальном мире.
Коль скоро наш разговор зашел об аналогиях между проблемами высокотемпературной сверхпроводимости и управляемого термоядерного синтеза, нелишне упомянуть и еще об одной аналогии. И там и тут самые первые идеи были самыми радужными. Но когда пошел эксперимент, все стало значительно сложнее. И там и тут добиться желаемого мешают неустойчивости: и «одномерная» плазма оказалась неустойчивой, и проводимость в одномерных соединениях тоже.
И там и тут возникла своя большая наука, своя физика — как экспериментальная, так и теоретическая.
Для сверхпроводимости нужно, чтобы электроны в веществе притягивались друг к другу, связывались в пары, и тогда эти пары текут по металлу без сопротивления. Обычно в пустоте и в воздухе одноименные электрические заряды отталкиваются. Но в твердых телах — и в этом все дело — свободные электроны не совсем свободны, поскольку чувствуют на себе влияние кристаллической решетки, в пространстве которой они перемещаются. Причем каждый электрон притягивает к себе положительный заряд — ближайший ион, сидящий в узле решетки. И к этому же положительному заряду притягивается, в свою очередь, другой электрон. Так, посредством узла решетки, возникает эффективное притяжение между парой электронов. А чем сильнее это притяжение, тем будет выше температура, при которой наступает сверхпроводимость.
Такого рода механизм по ряду причин, на которые мне бы не хотелось отвлекать внимание читателей, связан с деформацией кристаллической решетки. И поэтому задача состоит в том, чтобы найти такие тела, в которых деформация решетки происходила бы легче всего. Но твердые тела устроены так, что если решетка деформируется очень легко, то это случается чаще всего самопроизвольно. Причем так, что происходит фазовый переход, и кристалл оказывается в каком-то другом состоянии, где решетка уже деформирутся с большим трудом. (Это естественное стремление всех систем — из неустойчивого состояния переходить в более устойчивое с меньшей потенциальной энергией. Представьте себе хотя бы шарик на гребне волны, так и норовящий скатиться во впадину.) Так вот в этом новом состоянии взаимодействие между электронами уже оказывается слабее.
Предварительные расчеты, которые мы проделали, давали надежду, что в одномерных органических соединениях подобная неустойчивость будет не очень сильной. И научившись предотвращать ее, мы сможем добиться появления сверхпроводимости. Было исследовано много одномерных соединений, у них обнаружилось немало удивительных свойств…
…Но найти в них сверхпроводимость, хотя бы низкотемпературную, до сих пор не удалось. Опять-таки вмешалась неустойчивость! Хотя одномерные соединения, может быть, и более устойчивы, чем обычные твердые тела. Ведь электроны в них не могут отклоняться вбок, а вынуждены двигаться, как по желобку, только вдоль цепочки молекул. Но даже в такой жесткой обстановке электроны умудряются проявлять свой норов: при некоторой температуре им оказалось выгоднее расположиться периодически вдоль цепочки и стабилизироваться в таком состоянии.
И поэтому вместо проводников эти вещества становятся диэлектриками, так и не дойдя буквально на один шаг до сверхпроводящего состояния.
Совсем недавно нашли и такие одномерные проводники, которые уже до сколь угодно низких температур сохраняют свойства металлов. Но сверхпроводимость у них так и не наступает. В таких случаях я люблю говорить, что нужно искать там, где темно. И поскольку в нашем распоряжении появился некий класс совершенно новых соединений, надежда что-то найти в них все-таки больше, чем в обычных металлах, которые исследованы уже довольно хорошо. Там мы, по-видимому, подошли к пределу: за пять лет удается повысить температуру всего на полградуса, а такими шагами можно двигаться очень долго. А тут, хотя, может быть, сверхпроводимость и не получится, есть все же вероятность создать какое-то вещество с совершенно необычными свойствами.
Но уже и те соединения, которые удалось создать, принесли много интересного и удивительного, хотя и не связанного со сверхпроводимостью. Если опять вспомнить аналогию с плазмой, которую иногда называют четвертым состоянием вещества (правда, здесь не скажешь, что открыто новое состояние вещества,— это все-таки твердые тела), одномерные органические системы можно назвать четвертым состоянием твердого тела. Они не похожи ни на металл, ни на полупроводник, ни на диэлектрик; а иногда похожи и на то, и другое, и третье сразу.
Разумеется, столь уникальные свойства не замедлят найти себе практическое применение.
Автор: А. Ларкин, доктор физико-математических наук.