Ирина Радунская - Проклятые вопросы
Главной изюминкой в их теории было объяснение «механизма», возникающего в металлах при низких температурах и заставляющего электроны объединяться в пары. Известно, что в пустоте электроны, имеющие отрицательный заряд, отталкиваются один от другого. Двигаясь в металлах, каждый электрон притягивает положительно заряженные ионы, образующие кристаллическую решётку металла, и притягивается к ним. Это приводит к деформации решётки, а у движущегося электрона возникает «хвост» положительного заряда. Этот хвост исчезает не сразу и может притягивать другой электрон. Таким образом, в металле наряду с обычным взаимным отталкиванием электронов возникает экзотическое явление — взаимное притяжение электронов за счёт смещения ионов решётки.
Теперь можно уточнить аналогию с игрой в мяч. Фононы, которыми обменивается каждая пара электронов, порождаются колебаниями атомов металла. В игру, в обмен фононами между каждой парой электронов, одновременно вовлечено множество атомов металла.
Сверхпроводимость возникает, когда взаимное притяжение электронов, обусловленное их взаимодействием с колебаниями решётки, превзойдёт по величине обычное отталкивание их зарядов.
Формулы, выражающие эту простую картину, объясняют, почему сверхпроводимость возникает только при очень низких температурах. Они объясняют и другие явления, показывают, за счёт чего температура, при которой данный металл переходит в сверхпроводящее состояние, различна для различных металлов, почему сверхпроводимость с трудом возникает в лучших проводниках, таких, как серебро и медь, но легко наблюдается в плохих проводниках, например в олове и свинце.
Формулы говорят, что высокая проводимость серебра и меди обеспечивается тем, что в них электроны слабо взаимодействуют с решёткой. При этом энергия, придаваемая электронам электрическим полем, почти не передаётся кристаллической решётке, не приводит к нагреванию металла. Но слабость взаимодействия электронов с атомами решётки металла приводит к тому, что «хвост» положительного заряда слаб и не может побороть действия теплового движения решётки даже при очень низких температурах. Именно поэтому хорошие проводники с трудом становятся сверхпроводниками.
Формулы говорят о том, как отдельные куперовские пары образуют сверхтекучую электронную жидкость — коллектив куперовских пар, движущийся внутри металла без затраты энергии. Формулы показывают, что в сверхпроводниках равновесие между притяжением и отталкиванием в каждой куперовской паре достигается уже на сравнительно больших расстояниях между электронами, образующими пару. Среднее расстояние между электронами, входящими в пару, равно нескольким тысячам расстояний между атомами металла, образующими его решётку. Поэтому каждая пара обладает объёмом, в котором одновременно находятся миллиарды других электронных пар. Вследствие этого отдельные пары оказываются неразличимыми и одновременно связанными в единый коллектив. Так возникает тот макроскопический коллектив, о существовании которого догадался Лондон. Пример удивительной прозорливости, зрелости и глубокой интуиции. Пример того, как размышляет настоящий физик.
Годом позже Боголюбов на основе своей прежней работы, в которой были описаны свойства сверхтекучести, с учётом представления о куперовских парах, построил теорию сверхпроводимости, более сложную, но более корректную с математической точки зрения. Независимость и математическую ясность теории Боголюбова подчёркивал Бардин.
Но Бардин указывал и на ограниченность теории. В 1957 году в одной из своих статей он отмечает, что множество физиков приложили усилия к совершенствованию теории сверхпроводимости.
Хотя в то время теория и не достигла уровня, достаточного для предсказания пути, по которому должны были двигаться учёные, чтобы получить материалы с более высокой температурой возникновения сверхпроводимости, она позволяла разобраться в деталях явления и делать предсказания. А это — высшая цель каждой новой теории.
«ВПЕРВЫЕ ПОЧУВСТВОВАЛ СЕБЯ ФИЗИКОМ…»
В 1973 году Нобелевская премия по физике была присуждена трём учёным: Лео Исаки, Ивару Гиаверу и Бриану Джозефсону. Все они изучали туннельный эффект, и все открыли путь к важным практическим применениям этого эффекта. Первый из них изучал туннельный эффект в по лупроводниках и изобрёл транзистор, общеизвестный теперь миниатюрный прибор, заменивший в большинстве случаев электронную лампу.
Прежде чем идти дальше, следует немного разобраться в сути туннельного эффекта.
Для того чтобы железная дорога пересекла горный хребет, существует два способа. Можно проложить рельсы через хребет, а можно построить туннель под этим хребтом. В первом случае для преодоления подъёма локомотив должен затратить энергию, пропорциональную высоте хребта и массе поезда. Туннель экономит эту энергию.
Так обстоят дела в макромире, где царствуют законы классической физики.
В микромире, мире атомов и элементарных частиц, эти законы теряют силу, и их место занимают другие законы квантовой физики. Законы поразительные и в каждом частном проявлении неожиданные и противоречащие всему опыту наблюдений обычного мира.
Для поезда надо строить туннель. Но микрочастицы, подходящие к препятствию, даже те, что не обладают энергией, достаточной для его преодоления, имеют тем не менеё определённую вероятность пройти сквозь него даже при отсутствии какого-либо подобия туннеля.
Слово «вероятность» имеет при этом смысл — «могут преодолеть препятствие после многих неудачных попыток». В большинстве случаев, происходящих в макромире, частица, ударяющаяся о барьер, отражается от него или застревает в нём, как пуля в толстом слое песка. Но в микромире изредка происходит процесс, совершенно немыслимый с точки зрения классической физики: частица, подходя к барьеру, исчезает, а с другой стороны барьера возникает, рождается (тут невозможно найти точное слово) такая же частица, имеющая совершенно ту же скорость, которой обладала исчезнувшая частица.
Физики называют это туннельным переходом. Он совершается без какой-либо затраты энергии. Внутри барьера не остаётся никакого туннеля, никакого следа. Процесс исчезновения и рождения частицы происходит вне барьера. Таково свойство микромира. К этому нужно привыкнуть!
Это не чудо, а реальный процесс. Его вероятность уменьшается, если энергия, нужная для преодоления барьера классическим путём — путём подъёма на барьер, увеличивается.
После этого отступления давайте обратимся к рассказу Гиавера, который он адресовал тем, кто присутствовал при вручении ему Нобелевской премии.
Он сказал: «В одной из газет Осло я недавно обнаружил следующий заголовок — ”Мастер по биллиарду и бриджу, едва не провалившийся на экзамене по физике, получает Нобелевскую премию». Речь шла о моих студенческих годах в Трондхейме. Должен сознаться, что это сообщение не лишено оснований, поэтому я не только не буду пытаться делать вид, что этого не было, но признаюсь также, что я чуть не провалился и по математике. В те дни меня не очень интересовали инженерное дело и учёба вообще».
Гиавер всё же окончил университет, но в поисках работы ему пришлось покинуть Норвегию. Он поступил на работу в канадскую фирму «Дженерал электрик». Ему предложили пройти трёхгодичный курс инженерного дела и прикладной математики.
«На этот раз, — сказал он, — я понял, что к делу надо относиться серьёзно, поскольку это, возможно, мой последний шанс…» Ему поручили работать с тонкими плёнками, о которых он не имел понятия. Но ему повезло. Он был связан по работе с Д. Фишером. Тот тоже начинал как инженер, но заинтересовался теоретической физикой. От Фишера он услышал о туннельных переходах, возможных в таких плёнках.
В это время Гиавер только одолевал квантовую механику. «Поэтому, — сказал он, — представление о том, что частица может проходить сквозь барьер, казалось мне чем-то удивительным. Для инженера весьма странно звучит утверждение, что если вы будете бросать теннисный мяч в стену достаточное число раз, то он в конце концов пройдет сквозь стену, не разрушив ее и не разрушившись сам». «Да, — продолжал он, — трудный путь лежит к Нобелевской премии! Фокус, конечно, состоит в том, чтобы использовать очень маленькие мячи и взять их много». Точнее, скажем мы, это должны быть не маленькие мячи, а микрочастицы, например электроны, подчиняющиеся законам квантовой физики.
Гиавер и Фишер начали изучать процесс перехода электронов через энергетический барьер. Это была трудная задача. Первые опыты кончились неудачей. Но «в конце концов мы оба понимали кое-что в технике».
Они попытались реализовать энергетический барьер при помощи тончайшей полимерной плёнки, разделяющей два металла. «Однако в таких плёнках неизбежно имеются маленькие дырочки…» Эти микроскопические, но реальные туннели препятствовали опытам. Друзья решили изготавливать изолирующие плёнки, испаряя металлы в вакууме и конденсируя их пары на удобных подложках. Нанеся первый слой, они окисляли его поверхность. При этом возникал тонкий изолирующий слой окисла. Затем напыливали второй слой металла. Теперь опыты стали воспроизводимыми. Всё шло согласно квантовой теории, с которой Гиавер уже познакомился. Он знал, что электроны иногда ведут себя не как частицы, а как волны, и свыкся с тем, что они способны проходить сквозь энергетический барьер.