Ирина Радунская - Проклятые вопросы

В других выражениях эту мысль ранее высказывал Эйнштейн.

В 1962 году Бриан Д. Джозефсон, студент-дипломник Кембриджского университета, изучая теорию сверхпроводимости, пришёл к удивительному выводу. Общеизвестная теория БКШ выбрала именно его, чтобы сказать ему: если два сверхпроводника разделены тонким диэлектрическим (изоляционным) слоем, то через этот непроводящий слой возможен туннельный переход. Удивительный туннельный переход, через который может протекать электрический ток, даже если к нему не приложено электрическое напряжение!

Ток без напряжения! Почему это так поразило Джозефсона? Ток, сколь угодно долго циркулирующий внутри замкнутого, не имеющего разрывов сверхпроводника без напряжения, приложенного к этому сверхпроводнику, был открыт Камерлинг-Оннесом ещё в 1911 году. Это стало привычным и уже никого не удивляло. При температуре жидкого гелия возможны всяческие чудеса. Много позже теория БКШ объяснила, как это происходит. Стало понятным: электроны, объединившись в пары и образовав коллектив, не испытывают сопротивления своему движению через сверхпроводник. Если нет сопротивления, то ток течёт даже в том случае, если не приложено напряжение.

Но ведь Джозефсон в свой работе натолкнулся на другой случай: на пути тока в сверхпроводнике имелось препятствие — диэлектрик, а каждый знает, что ток не может проходить сквозь диэлектрик.

Почему же диэлектрик в опыте Джозефсона перестал быть изолятором — препятствием для электрического тока?

Теория БКШ, объяснявшая многие тонкости сверхпроводимости, здесь скромно молчала.

В это время Кэмбридж посетил профессор П. В. Андерсон. В своих лекциях он говорил о том, что в сверхпроводниках нарушается обычная симметрия, характерная для электронов в металлах, находящихся в нормальном состоянии. Андерсон обратил внимание слушателей на теорию сверхпроводящего состояния, построенную Л. П. Горьковым, одним из учеников Ландау. В его теории содержится эта же идея.

Идея нарушенной симметрии настолько захватила Джозефсона, что он всё время спрашивал себя, можно ли каким-нибудь образом наблюдать её экспериментально.

Ответ, по существу, основывался на том, что часть из куперовских пар, совокупность которых образует сверхпроводящий ток, может проходить через достаточно тонкий слой диэлектрика.

Это, по существу, соответствует квантовому туннельному переходу частиц через энергетический барьер. При таком переходе частицы не обладают энергией, достаточной для того, чтобы они могли «перевалить» через барьер. Но для каждой из них существует определённая вероятность исчезнуть с одной стороны барьера и одновременно возникнуть с другой его стороны. Это и есть механизм прохождения куперовских пар сквозь энергетический барьер. Конечно, никакого реального проникновения частиц сквозь диэлектрик не происходит. В этом случае реального туннеля не возникает.

Этот эффект — проникновение куперовских пар сквозь потенциальный барьер, образованный тонким диэлектрическим слоем, разделяющим два сверхпроводника, — называют стационарным эффектом Джозефсона.

Стационарный эффект Джозефсона возможен при одном, но жёстком, ограничении. Стационарный джозефсоновский ток может быть только очень слабым и не должен превышать определённого — критического — значения.

Руководитель Джозефсона, профессор Пиггард, предложил ему попытаться обнаружить туннельный сверхпроводящий ток экспериментально. Результат был отрицательным. Тогда профессор Пиггард провёл расчёты, показавшие ему, что вероятность того, что два электрона могут одновременно туннелировать через изолирующий барьер, столь мала, что не приведёт к наблюдаемым эффектам. Он ошибся потому, что провёл расчёт для двух независимых электронов, а его ученик говорил о куперовской паре электронов. Ведь, образуя куперовскую пару, электроны ведут себя как одна частица, проходящая сквозь барьер, как единое целое.

Однако вскоре Андерсон понял причину неудачи эксперимента Джозефсона. Оказывается, шумы установки, предназначенной для измерения эффекта, были достаточными, чтобы в образцах, исследованных Джозефсоном, туннельный ток превышал критическое значение, при котором эффект исчезал. Вскоре Андерсон и Роувелл обнаружили стационарный эффект Джозефсона, проведя измерения на образцах с малым сопротивлением (в них мал мешающий шум).

Джозефсон задумался над тем, что произойдёт, если на туннельный переход наложить сразу два напряжения: постоянное и переменное? Он пришёл к выводу, что при этом постоянный сверхпроводящий ток будет изменяться скачками — ступеньками. Он будет следовать за частотой переменного тока. А частота, изменяясь, примет определённые значения, зависящие от отношения постоянной Планка к заряду электрона. Это было неожиданным предсказанием. «Смущающим обстоятельством во всей этой теории, — говорит Джозефсон, — было то, что предсказанные эффекты были слишком велики».

В течение некоторого времени имелись только косвенные доказательства существования предсказанного Джозефсоном переменного сверхпроводящего тока. Он сам пытался его обнаружить, но неудачно. Причина неудачи осталась неясной.

Этот эксперимент должен был стать второй главой дипломной работы Джозефсона, предполагаемое название которой было таким: «Два неудачных эксперимента по электронному туннелированию между сверхпроводниками». В первой главе должна была быть описана его неудачная попытка обнаружить предсказанный им стационарный эффект.

Гиаверу же удалось обнаружить переменный сверхпроводящий ток, используя метод, аналогичный тому, которым неудачно воспользовался сам Джозефсон. В том же 1965 году появилась статья советских учёных И. К. Янсона, В. М. Свистунова, И. М. Дмитриенко, сумевших наблюдать излучение сверхпроводящего тока при помощи обычного детектора.

Так, в ходе выполнения дипломной работы студент Джозефсон, используя всем известную теорию, сумел сделать на её основе два удивительных предсказания, не замеченных авторами теории и их последователями, и дважды потерпел неудачу при выполнении экспериментов.

Повторим эти предсказания. Первое: электрический ток может без сопротивления протекать не только через сверхпроводники, но и через разделяющий их тонкий слой диэлектрика. Это явление называют стационарным эффектом Джозефсона.

Второе: если между двумя сверхпроводниками существует тонкий промежуток, заполненный диэлектриком, то из этого промежутка могут излучаться электромагнитные волны, что указывает на присутствие там переменного тока. Это явление называют нестационарным эффектом Джозефсона. Эффекты Джозефсона стали не только большим вкладом в науку, ибо они впервые позволили наблюдать квантовые эффекты в макромире, но открыли возможность создания новых приборов, например чувствительных детекторов радиоволн, сверхчувствительных измерителей магнитного поля. Они явились основой нового естественного эталона единицы напряжения — вольта и новых методов определения точного значения фундаментальных постоянных, так как частота электромагнитного излучения, возникающего при нестационарном эффекте Джозефсона, тесно связана с отношением постоянной Планка к заряду электрона. Так студент-неудачник стал лауреатом Нобелевской премии.

Горшки обжигают люди. Они начали обжигать глиняные горшки в глубокой древности. Много позже на смену рыжей глине, лежащей под ногами почти повсюду, пришли редкостные светлые глины. Ещё позже мастера стали обжигать посуду, изготовленную из каолина — белой глины. Так появился фарфор.

И вновь прошли века. И наступил век электричества. И из белой глины начали делать изоляторы, чтобы крепить на них электрические провода. И в обиход вошло новое слово — керамика.

Керамика — обобщённое название разнообразных материалов, изготовляемых из природных окислов металлов или их смесей путём формования и последующего обжига. Обжиг придаёт керамике прочность. Если изделие из керамики разбить, то скол будет иметь характерную мелкокристаллическую структуру.

До того как человечество вступило в эру пластмасс, керамика была лучшим из диэлектриков, материалов, обладающих большим сопротивлением электрическому току, наиболее надёжным изолятором, практически не пропускающим сквозь себя электрический ток.

Возникла целая наука, позволившая сделать хрупкую керамику ударопрочной.

Ещё позже твёрдость и жаропрочность керамики, способной выдерживать механические нагрузки и удары, сделали её одним из лучших конструктивных материалов, вытесняющих металл в двигателях внутреннего сгорания, в турбинах, в космической технике.

В начале семидесятых годов керамики преподнесли учёным новый сюрприз. Обнаружились керамики — плохие изоляторы, а затем и керамики, способные проводить электрический ток. Металлические керамики!