Феномен сверхпроводимости, открытый в 1911 году, с конца двадцатых годов являлся болезненным вызовом ведущим теоретикам.

Академик Д. Ширков

Открытие и попытки объяснения сверхпроводимости — одна из самых интригующих научных историй XX века.

История незавершенная, усыпанная и розами (премиями), и шипами (неверием и разочарованиями). В чем-то «незаконнорожденное», ворвавшееся в науку открытие заставляло ученых не раз пересматривать свои позиции.

Одни их предчувствия оправдывались, другие вовсе оказывались беспочвенными. «Перетечет» ли эта ситуация в следующий век? Или, наконец, сверхпроводимость оправдает наши надежды?

Если хотите разбогатеть, забудьте о рулетках и лотереях — там вас только обманут. Подумайте лучше о том, как может электрический ток течь по проводникам без сопротивления при комнатной температуре. Проводники-то сделаны из всем известных химических элементов — ничего сверхсложного. Ежели преуспеете, то Нобелевская премия — миллион долларов — вам гарантирована. Мало того, сотни миллионов тех же самых долларов потекут к вам после создания электродвигателей, поездов, электрогенераторов и линий электропередачи, работающих без сопротивления, а значит, и потерь. Но предупреждаю: задача не из простых — десять лет после открытия высокотемпературной сверхпроводимости над ней ломают голову многие совсем неглупые физики, но пока ничего придумать не могут. Недавно, правда, появилась слабая надежда на то, что есть намеки на объяснение и понимание. Хотя до окончательного решения далеко, проблема так важна, что вновь стоит к ней вернуться.

Немного «новой истории»

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 году поистине стало сенсацией и породило настоящий бум. Один из показателей — число публикаций. Например, за трехлетний период — с 1989 по 1991 год — вышло в свет около пятнадцати тысяч статей, посвященных этой проблеме, то есть в среднем появлялось примерно по 15 статей в день. Для сравнения: за шестьдесят лет — с 1911 по 1970 год — по сверхпроводимости было опубликовано «всего» около 7 тысяч статей.

С какой из симметрии возникают электронные пары в высокотемпературных сверхпроводниках

Когда же сверхпроводимость поможет в создании подобных поездов?

Другой показатель — масштабы научных обсуждений. На относительно недавней конференции в Японии (июль 1991 года) было представлено примерно полторы тысячи докладов, а труды конференции опубликованы в четырех томах общим объемом более 2700 страниц. Несомненно, такой размах исследований объясняется тем, что от высокотемпературной сверхпроводимости ждали и ждут больших успехов в технике. Но пока ожидания не очень-то оправдываются. По словам академика В. Л. Гинзбурга, «столь бурная реакция научного сообщества, да и широкой публики на открытие ВТСП (высокотемпературной сверхпроводимости) мне все же до конца не понятна, это какое-то социальное явление».

Еще одним непостижимым психологическим феноменом можно считать полное забвение исследователями ВТСП своих предшественников: проблема эта родилась не в 1986 году, а как минимум лет на двадцать раньше (на современном уровне ее поставил американский физик У. Литтл в 1964 году). У. Литтл, во- первых, задал вопрос, почему критическая температура Тс известных тогда сверхпроводников невысока? Во-вторых, он указал возможный путь повышения Тс до комнатной и более высоких — свыше двух тысяч градусов — температур. Модель Литтла была очень красивой, однако попытки реализовать ее наталкивались на принципиальные трудности.

Тем не менее работа эта не осталась незамеченной, она привлекла к себе большое внимание и широко обсуждалась, в частности, московскими теоретиками ФИАНа во главе с академиком В. Л. Гинзбургом. В большой монографии 1976 года он писал: «Из общих теоретических соображений мы в настоящее время считаем наиболее разумной оценку Тс<300К, причем, конечно, речь идет о материалах и системах, находящихся в более или менее нормальных условиях... В этом плане наиболее перспективными с точки зрения возможности повышения Тс представляются слоистые соединения и сэндвичи диэлектрик-металл-диэлектрик... Исследования проблемы высокотемпературной сверхпроводимости вступают во второе десятилетие своей истории (если говорить о сознательном поиске веществ с Тс>90К при использовании экситонного и других механизмов)... Ближайшее десятилетие, как можно думать, явится решающим для проблемы высокотемпературной сверхпроводимости».

Вышло, увы, по-другому. Призывы энтузиастов, прежде всего самого Гинзбурга, сконцентрировать усилия на решении проблемы ответа не получили. Хуже того, нашлись и такие ученые, причем весьма авторитетные, кто доказывал принципиальную невозможность ВТСП. Наверное, ее открытие и показалось неожиданным потому, что ему предшествовала обстановка уныния и скепсиса.

А вот мнение В. Л. Гинзбурга уже о нынешнем положении дел: «Современное состояние теории твердого тела и, в частности, теория сверхпроводимости не позволяет вычислить температуру Тс или хотя бы достаточно точно и определенно, особенно в случае сложных материалов, указать, какое именно соединение нужно исследовать... Ведь нет еще достаточной ясности даже в вопросе о механизме сверхпроводимости «купратов» (это определенный тип веществ, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью.— А. К.)... Место, принадлежащее до 1986—1987 года проблеме высокотемпературной сверхпроводимости, заняла проблема комнатнотемпературной сверхпроводимости. Не вижу, к сожалению, возможности сделать что-то позитивное в этом направлении, остается лишь с нетерпением ждать развития событий».

Не хотелось бы верить, но кажется, что энтузиазма у патриарха отечественной физики поубавилось.

Из «истории древнего мира» и «средних веков»

Еще в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес установил, что металлическая ртуть при охлаждении до четырех градусов выше абсолютного нуля полностью перестает оказывать сопротивление проходящему через нее току. В 1913 году он обнаружил подобное поведение у свинца при семи градусах.

Сверхнизкие температуры очень сложно и дорого получать, поэтому с первых же дней ученые стали искать сверхпроводники с более высокими температурами, но дело подвигалось крайне медленно. Лишь в 1954 году удалось перебраться за 18 градусов для соединения Nb3Sn, а в 1973 подойти к 24 градусам для Nb3Ge. И только в 1986 году Г. Беднорц и А. Мюллер в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе получили сверхпроводимость при 35 градусах в соединении оксида бария — лантана — меди (кстати, неметалла), и это был прорыв. Действительно высокотемпературный сверхпроводник с критической температурой 80—90 градусов выше абсолютного нуля был найден в начале 1987 года. Авторы открытия ВТСП вскоре стали нобелевскими лауреатами.

Камерлинг-Оннес также довольно быстро был увенчан Нобелевской премией, но вот дождаться теоретического объяснения своего открытия ему было не суждено. Куда девается сопротивление движению электронов, поняли лишь в 1957 физики из университета в Иллинойсе — Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер (в 1972 году и они получили Нобелевскую премию). Оказывается, при движении через вещество с кристаллической решеткой электроны могут объединяться в пары и тогда двигаться без сопротивления. Теоретики описывают процесс движения такой пары по сверхпроводнику, как движение «фонона» — пакета колебательной энергии.

Но это объединение возможно лишь при сверхнизких температурах и совсем «не работает» при температурах более высоких, а тем более комнатных. Во всяком случае, совершенно непонятно, как «куперовским парам» удается противостоять нагреву. Неужели первооткрывателям ВТСП также несколько десятилетий ждать, когда же ее объяснят? Все-таки события последних лет внушают осторожный оптимизм.

Перипетии «новейшей истории»

Первое предположение о том, что происходит при ВТСП, высказал физик из университета в штате Иллинойс Тони Легетт. Он предложил эксперимент, способный определить, как ведут себя электроны в обычных и высокотемпературных сверхпроводниках одинаково или нет. По его мнению, ключ к проблеме лежал в понятии симметрии. Дело в том, что в обычном сверхпроводнике спаренные электроны обладают симметрией S-волны, иначе говоря — сферической, когда нет выделенного направления. Большинство физиков считают, что и при повышении температуры сохраняется тот же механизм.

Но вот Дуглас Скальпино из Санта-Барбары в Калифорнии предложил в 1989 году радикальную идею. Он обратил внимание на то, что атомы — это крошечные магниты, причем расположенные в строгом порядке кристаллической решетки. У электронов тоже есть магнитный момент. Гипотеза Скальпино состоит в том, что взаимодействие между магнитными моментами может загнать электроны в пары.

Представьте, что прохождение электрона заставляет магнитный момент ближайшего атома перевернуться. Этот переворот повлияет и на соседние с ним атомы, они тоже могут сместить направление магнитного момента. После ухода электрона положение атомов еще некоторое время будет сохраняться и они смогут притянуть к себе другой проходящий электрон. Этот механизм называется «спиновыми флуктуациями», поскольку магнитные моменты у атомов и у электронов возникают благодаря их собственному вращательному моменту — спину, а флуктуации в структуре спинов кристаллической решетки могут привести к возникновению сил спаривания электронов.

Идея стала особенно привлекательной после того, как один из коллег Легетта, Дэвид Пайне, показал в 1992 году, что спиновые флуктуации действительно способны связать электроны в пары и даже противостоять разрушительному воздействию температурного нагрева. Один из важнейших моментов его гипотезы заключается в том, что пары возникают с другой формой симметрии — так называемой D-волной (см. рисунок). Если бы экспериментально удалось доказать, что для высокотемпературной сверхпроводимости реализуется именно D-волновая симметрия электронных пар, то идея получила бы колоссальную поддержку.

Эксперимент достаточно прост. Как и все квантовые частицы, электронные пары обладают волновыми свойствами. В S-волновом сверхпроводнике волна пары везде положительна, а в случае D-волны есть участки, где она отрицательна. Именно эту смену знака волны и планировал заметить Легетт в своем эксперименте. Для этой цели Дональд Гинсберг из университета штата Иллинойс вырастил кристалл высокотемпературного сверхпроводника не толще человеческого волоса, а по бокам его умудрился приладить десяток проводков и соединить их со сверхчувствительным измерителем магнитного поля. Первые же измерения показали, что распространяется D-волна.

Ван Харлиген, руководитель лаборатории, в которой трудятся Легетт и Пайне, говорил: «Эксперимент был предельно прост и нагляден. Некоторые противники нашей гипотезы повторяли его, чтобы доказать, что мы ошибаемся, но их измерения лишь подтверждали нашу правоту».

Почти сегодняшний день

Пока что эксперимент остается критерием истины в науке. После результатов 1993 года Пайне мгновенно стал главным экспертом в теории высокотемпературной сверхпроводимости. S-волновые теории постепенно отошли на задний план, а все остальные перестраивались так, чтобы согласовываться с D-волнами. Но не надо забывать, что эксперимент лишь обнаружил присутствие этих волн, но не показал, да и не мог показать, что их причина лежит в спиновых флуктуациях. Большинство экспертов сегодня верят в существование D-волн, но есть и другие гипотезы.

В январе 1997 года один из «отцов» высокотемпературной сверхпроводимости, Мюллер, опубликовал результаты исследований с кристаллом сверхпроводника, где атомы кислорода были заменены на его более тяжелый изотоп. Оказалось, что в этом случае масса электронных пар возрастает. А это означает, по мнению Мюллера, что атомы кислорода каким-то образом сами вовлекаются в пары. Во всяком случае, возникли сомнения в том, что пары устроены так просто, как полагали физики до сих пор, а в них есть такие экзотические структуры, как «поляроны». Их придумали еще в тридцатые годы будущий создатель водородной бомбы Теллер со своим молодым коллегой Яном.

Электроны в кристалле обычно занимают самое низкое по энергии положение — оно самое удобное и выгодное для них. Но иногда таких состояний оказывается два, и тогда на помощь электрону приходит сама кристаллическая решетка: она немного деформируется и чуть-чуть меняет энергии двух состояний электрона, делая одно более выгодным. Электрон как бы поляризует окружающую его решетку, поэтому такая взаимодействующая структура «электрон — атомы решетки» называется «поляроном». Они могут двигаться по кристаллу, как обычные частицы, перетаскивая за собой начальное возмущение решетки. Именно эти достаточно необычные объекты и считают Мюллер с коллегами ответственными за перенос заряда в высокотемпературных сверхпроводниках. Кейт Джонсон из Массачусетса отмечает, что в таком случае понятно, почему высокая температура не разрушает пару: колебания даже помогают атомам сместиться, чтобы возник «полярон». Но это еще только идеи, точных расчетов нет и специалисты относятся к работе Мюллера, как к наброску гипотезы.

А пока сторонники S-волн и D- волн все чаще встречаются, обсуждают свои проблемы и постепенно движутся к выводу, что истина может лежать где-то посредине. Может быть, реализуется не тот и не другой вариант симметрии, а какая-то их смесь. В принципе это возможно.

Историю допишет будущее?

Да, чаще всего истина оказывается сложнее, чем казалось на первый взгляд. Коллега Мюллера, Хьюго Келлер из Цюриха, пишет так: «Хоть я и сторонник идеи фононов (S- волна.— А. К.), но спиновые флуктуации нельзя игнорировать. Мы должны признать, что обе точки зрения равноправны и надо не выбирать между ними, а попытаться как- то скомбинировать их». Алан Бишоп из Лос-Аламоса полагает, что к двум этим структурам надо добавить еще и « полярон ы», и совмещать не два, а три взгляда, только тогда можно надеяться на достижение успеха. Но все сходятся в одном: до окончательного ответа далеко, надо работать и работать, может быть, новое тысячелетие принесет успех.

Что ж, придется, видимо, отложить исполнение мечты о повсеместном применении «волшебных» сверхпроводников. Соблазн, конечно, велик, но, как писал тот же У. Литтл в одной из статей: «Размышления относительно использования таких сверхпроводников будут читаться скорее как научно-фантастический роман, чем серьезные научные предположения».

Правда, природа может преподнести еще сюрприз, все-таки их время в науке не вышло. А вот в Северной Америке, не дожидаясь новых открытий, собираются прокладывать трансконтинентальный сверхпроводящий кабель.

История продолжается? •