ЯВИЩЕ НАДПРОВІДНОСТІ ВІДЗНАЧИЛО У ЦЬОМУ РОЦІ СТОРІЧНИЙ ЮВІЛЕЙ

Камерлінг-Оннес в лабораторії низьких температур Лейденського університету (квітень 1911 року)

У цьому році виповнилося 100 років з дня відкриття явища надпровідності - цього вражаючого і одночасно надзвичайно глибокого феномену сучасних фізики і техніки.

Великі наукові відкриття нерідко робляться в процесі здійснення цілком традиційних дослідних проектів. Саме це сталася 8 квітня 1911 року в кріогенній лабораторії Лейденського університету, яку сімнадцятьма роками раніше заснував і очолив професор експериментальної фізики Гейке Камерлінг-Оннес (Heike Kamerlingh Onnes). Разом з асистентами Корнеліс Дорсманом (Cornelis Dorsman) і Гіллес Хольст (Gilles Holst) він вивчав електричні властивості металів, охолоджених до температур рідкого гелію.

Вчені Фактично перевіряли висунуту німецьким фізиком П. Друде гіпотезу про існування в металах електронного газу, за якою опір будьякого металу визначається саме зіткненнями рухомих електронів з його граткою, а точніше коливаннями вузлових атомів (іонів). При цьому залежність частоти зіткнень від температури була невідомою, лише припускали, що кількість зіткнень має зменшуватись при зниженні температури і, як наслідок, падатиме опір, тобто електрони пересуваються більш вільно.

Однак сталося так, що ще до досягнення найнижчої на той час температури — 2,2 К (нижче за 270°С) конденсованого ⁴Не, який в цих експериментах використовувався як холодоагент, а точніше, при температурі Т_с = 4,15 К, яка потім отримала назву критичної, опір вимірюваних зразків ртуті стрибкоподібно зникав повністю, і електрони починали пересуватися в просторі ґратки так, начебто її взагалі не існувало.

Перші повідомлення про спостереження такої нечуваної аномалії з'явилися у квітні і травні 1911 р., а вже у 1913 р.автор цього відкриття отримав Нобелівську премію. Цікаво, що її формулювання було таким: "за дослідження властивостей речовини при низьких температурах, що обумовили, крім усього іншого, отримання рідкого гелію".

          

Робочий журнал Камерлінг-Оннеса. 8 квітня 1911 року    

Тобто формально відкриття надпровідності премією відзначено не було, хоча у своєму Нобелівському виступі КамерлінгОннес присвятив йому велику увагу. Тоді він, власне, вперше назвав відповідні провідники надпровідниками. Більше того, як це не дивно, дослідник торкнувся і можливого застосування відкритого ним явища для майбутнього промислового виробництва дротів, що утворюють різноманітні мережі, щоб електричний струм в них якнайменше витрачався на тепло і слугував тільки корисним цілям. Проте треба відзначити, що в цілому ця видатна подія для фізики, а, як показала історія, і для техніки ХХ-го століття, в той час отримала вельми скромний резонанс, якщо до неї підходити за сучасними мірками.

У подальших багатолітніх дослідженнях впродовж майже п'яти десятиліть було відкрито і синтезовано багато нових одно і багатокомпонентних надпровідників, але їхня критична температура ледь перевищувала 20 К, що фактично обмежувало їх широке застосування.

Доречно також відмітити, що у 30-40-ві роки минулого століття фізика низьких температур посідала дуже помітне місце як у всесвітньому масштабі, так і в Радянському Союзі, де особливого розмаху вона набула саме в Україні. У першу чергу, це було пов'язано із славетним ім'ям Л.В. Шубнікова, який очолював Кріогенну лабораторію Харківського фізико технічного інституту (на превеликий жаль, славетний вчений був знищений в застінках НКВС "як ворог народу та іноземний шпигун"). Тут вперше в СРСР було отримано рідкий гелій, проводилися всесвітньо відомі дослідження надпровідників. Зокрема, були відкриті надпровідники ІІго роду, до яких, як правило, відносять не прості метали, досліджувані Камерлінг-Оннесом та його послідовниками, а різноманітні сполуки (у першу чергу, сплави), які тільки і можуть використовуватися у приладах і електромережах.

Звичайно, було зрозуміло, що головною перепоною на шляху якнайширшого застосування явища надпровідності є надзвичайно малі значення критичних температур, але наполегливі пошуки нових надпровідних речовин унеможливлювались ще й тим, що були невідомі чинники, які надпровіднїсть обумовлюють. Про них взагалі не було ніякої гадки протягом кількох десятиліть, бо надпровідність виявилась явищем, яке, образно кажучи, було "не по зубах" кільком поколінням найкращих фізиків світу, включаючи геніальних А. Ейнштейна, Р. Фейнмана, Л.Д. Ландау (мається на увазі мікроскопічна причина, оскільки феноменологічна теорія Гінзбурга-Ландау відповіла на багато запитань, але нічого не сказала щодо механізму явища).

На щастя, до вивчення природи надпровідності включився визначний американський теоретик Дж. Бардін (між іншим, єдиний фахівець у світі, що двічі удостоєний Нобелівської премії за свої дослідження в одній науковій галузі, а конкретно: фізиці твердого тіла), який у 1957 р. разом зі своїми тоді молодими співробітниками Л. Купером і Р. Шріффером розробив і опублікував мікроскопічну теорію надпровідності, що не тільки повністю пояснила це явище, а й передбачила низку нових ефектів, які виявили пізніше. Серед них — появу в неперервному електронному спектрі металів надпровідної щілини, тобто області, вільної від станів.

Великий внесок в методологію теорії зробив наш видатний співвітчизник М.М. Боголюбов, тому часто ця теорія в науково-навчальній літературі зветься теорією БКШ-Боголюбова. Якщо коротко, то в ній було зроблено і доведено нерозумне, на перший погляд, припущення, що спрощено зводилось до наступного: необхідною і достатньою умовою появи надпровідного стану є притягання(!) електронів, яке напряму суперечило загальновідомому і добре перевіреному
закону Кулона.

Теорія стверджувала, що електрони не тільки розсіюються на вузлах ґратки, що породжує опір, а й при цьому, незважаючи на згадане кулонівське відштовхування, слабко притягаються один до одного, утворюючи досить стабільні при низьких температурах пари.

Ідея щодо можливості існування таких пар була незадовго перед цим одноосібно висунута Купером, а всі три автори теорії спільно довели, що саме куперівські пари стають носіями заряду, які рухаються без опору у надпровідному стані, бо протидіючі одноелектронному струму ґраткові степені вільності вже задіяні в утворенні пар, тому в першому наближенні не заважають їх вільному рухові.

Як тільки механізм формування надпровідного стану став зрозумілим, на пошуки металів і сплавів — природних або штучних — з відносно великими величинами константи електрон-фононної взаємодії були кинуті величезні сили і кошти, але не тільки кожний градус, а й кожна його десята давалися після титанічних наукових зусиль. До того ж теорія, при звертанні до конкретних (і частогусто досить складних і з хімічної, і зі структурної точок зору) речовин, виявилась неспроможною щодо правильних передбачень величини Т_с або хоча б близьких до реальності порад експериментаторам і технологам, тому пошук, зазвичай, вівся методом проб і помилок, але більше 22-23 К критичну температуту Тс підняти не вдавалося.

Більш-менш достовірні оцінки показували, що взаємодія електронів з ґраткою не може дати критичної температури, вищої за кілька десятків градусів, але для збуджень електронної природи такого обмеження в принципі не виникає.

Можна визнати, що саме з тих робіт почалася ера високотемпературної надпровідності (ВТНП) — принаймні, як дослідницького полігону, на якому відшліфовувалися ідеї, методи і технології отримання нових сполук з єдиною метою — отримання якомога вищого значення Т_с. Певна річ, що це були виключно фундаментальні пошуки, але в них знаходило відображення розуміння тих фізичних і хімічних властивостей матеріалів, які, з одного боку, не суперечать високим критичним температурам, а з іншого, — сприяють їх формуванню. Так, один з висновків свідчив на користь низьковимірних сполук шаруватого та ланцюжкового типу, що заздалегідь здавалося дивним.

Фактично знаходячись в руслі цих пошуків, швейцарські експериментатори Й. Беднорц і А. Мюллер звернули увагу на оксиди міді, в яких для отримання високої Т_с сподівалися використати відносно велику електронґраткову взаємодію, і в 1986 р. відкрили новий клас надпровідників з температурами, що не на відсотки, а в рази перевищували попередній рекорд. Їм особисто вдалося синтезувати ВТНП сполуку "всього" з Т_с = 35-40 К, але це був шалений прорив у нову шкалу і нові уявлення про можливі величини критичних параметрів, оскільки температура — лише один з них, хоча і найважливіший. Вже на базі їх результату, негайно — у 1987 р. — відзначеного Нобелівською премією, інші дослідники швидко досягли так званих азотних температур в діапазоні 90-110 К (оскільки температура зрідження азоту 77 К).

В Ужгородському державному університеті перші зразки ВТНП були отримані у 1989 році групою науковців, очолюваною к.ф.-м.н., ст.н.с. Віктором Бундою.  Дослідження їх властивостей були виконані спільно з колегами природничого факультету університету ім. П.Й. Шафарика та  Інституту експериментальної фізики АН Словаччини (м. Кошіце, Словаччина). На основі зазначених ВТНП були створені одні з перших гібридних контактних структур типу "ВТНП/напівпровідник" - багатофункціональні пристрої кріофотоелектроніки.  

Наразі фіксований максимум критичної температури складає 164 К, який не можна не визнати досить високим, а з позицій ще недавніх уявлень майже фантастичним.

За роки, що пройшли з моменту відкриття Й. Беднорца і А. Мюллера, виконано тисячі вимірювань, надруковано десятки тисяч робіт, але ясності у фізиці механізму ВТНП як не було, так і нема. ВТНП як явище виявилось таким, до якого ні експериментальна, ні теоретична світові спільноти не були підготовлені. Насправді, вихідні сполуки ВТНП — це не метали, а діелектрики, які металізуються лише внаслідок їх гетеровалентного легування, причому їхні властивості, як і сама величина Т_с, безпосередньо від нього залежать, що вимагає певного узагальнення теорії БКШ.

З іншого боку, відкриття ВТНП спонукало до пошуків надпровідності у тих речовинах, де раніше її можливість не припускалася або ігнорувалася, і в результаті були синтезовані так звані вуглецеві ВТНП на основі молекул фулерену С₆₀, знайдена надпровідність у давно відомій сполуці MgB₂, а два роки тому також у сполуках на основі заліза та миш'яку. Критична температура у всіх перелічених випадках сягає 40-50 К, що, як зазначалося, багато років також вважалася недосяжною. 

Ці відкриття вкрай важливі з точки зору вивчення дотепер невідомих факторів щодо формування в різних речовинах електронних пар. Справа в тому, що чим би не відрізнялись ці речовини одна від одної, єдине, що їх об'єднує — це існування механізму утворення куперівських пар, і фактично мова йде про знаходження такої речовини, де б цей механізм спрацьовував при якомога вищих температурах.

Закономірності виникнення і величина міжелектронного притягання залишаються головною метою переважної більшості сьогоднішніх, а також майбутніх експериментальних досліджень, спрямованих на збільшення Тс.

Отже, відкриття ВТНП, хоч і є суттєвим успіхом фізичного матеріалознавства, не зняло з порядку денного основне бажання всіх, хто професійно досліджує надпровідність, — винайти хоча б один матеріал, який би був надпровідником саме за нормальних, або, як кажуть, кімнатних, умов.

Не треба бути великим фантастом, щоб зрозуміти, що надпровідні дроти, як без будьякого охолодження спроможні переносити електричний струм, особливо якщо йдеться про великі відстані на відкритому повітрі або під водою, кардинально змінили б ландшафт земної карти енергозбереження, бо тоді місце розташування електростанцій стало б неважливим і могло б обиратися лише з міркувань безпеки. 

(За матеріалами часопису "Країна знань" : в.3, №2, 2011)

Теги:

0 Коментувати

Ділитись

На головну

Додати в закладки

Версія для друку

Переслати