Ирина Радунская - Проклятые вопросы
Фурор произвело обнаружение предсказанных Гинзбургом и Литтлом тонких сверхпроводящих полимерных плёнок и волокон. Сперва это были плёнки и волокна из неорганических материалов, а затем плёнки и волокна из органических соединений.
Правда, все они становились сверхпроводниками при очень низких температурах.
Так происходило новое постепенное проникновение учёных в страну сверхпроводимости. При этом выяснилось, что далеко не все эксперименты могли быть объяснены на основе существующей теории сверхпроводимости, основанной на спаривании электронов, обменивающихся фононами при движении внутри решётки кристаллов.
Наконец наступил 1986 год, когда Беднорц и Мюллер обнаружили, что керамика из окислов меди, лантана и бария становится сверхпроводящей при неожиданно высокой температуре: 40 K.
Эта керамика была подобна той, в которой сотрудники ИОНХ обнаружили металлическую электропроводность.
Можно представить себе, как они теперь сожалеют, что не продолжили свои исследования в области более низкой температуры. Ведь они упустили Нобелевскую премию, которую получили Беднорц и Мюллер за беспримерный скачок к высокотемпературной сверхпроводимости.
Появление журнала со статьей Беднорца и Мюллера вызвало не только интерес, но настоящий шквал экспериментов и теоретических соображений.
Ведь изготовление керамик не требует ни дорогого сырья, ни сложной аппаратуры. Уже известен десяток методов, некоторыми из них может воспользоваться даже школьник. Нужно лишь, чтобы в химической лаборатории были соответствующие окислы или такие соединения (например, нитраты или карбонаты), из которых могут быть получены эти окислы.
Нужна и обычная муфельная печь, ибо обжиг проходит при температурах около 1000 °C (от 900 °C до 1100°). И конечно, нужна возможность работать с жидким азотом (жидкий гелий слишком дорог для применения в школах).
В начале 1987 года группы исследователей из Токийского университета, из трёх лабораторий в США и Института физики АН КНР сообщили о том, что и они тоже получили керамики, сверхпроводящие при температуре 40 К.
Напомним, что первая научная конференция, обсуждавшая в США перспективы высокотемпературной сверхпроводимости, собрала массу учёных. Зал на 1140 мест был заполнен через несколько минут после того, как распахнулись его двери. Заседание было открыто в полвосьмого утра 18 марта 1987 года.
Зал наполнился громом аплодисментов, когда председательствующий представил аудитории Карла Алекса Мюллера из лаборатории ИБМ в Цюрихе, Соджи Танаку из университета Токио, Пауля С. В. Чу из университета Хьюстона, Жонгксиана Жао из Института физики в Пекине и Бертрана Батлокга из лаборатории Белл фирмы АТТ, сказав: «Леди и джентльмены, это некоторые из людей, которые дали толчок этому делу».
Сотни физиков слушали доклады и сообщения, стоя в проходах и наблюдая за происходящим в зале на экранах телевизоров, установленных в фойе и коридорах. Каждому докладчику предоставлялось лишь по пять минут для выступления. Сотни участников заседания оставались в зале до трёх часов ночи, когда председательствующий объявил о закрытии заседания. Но и после этого многие оставались в зале. Мы уже писали, что обсуждение прекратилось только в 6 часов утра следующего дня, когда служащие отеля начали уборку зала.
Нечто подобное вскоре повторилось в Москве, а затем в Токио, где состоялась международная конференция по высокотемпературной сверхпроводимости.
Теперь, когда пишутся эти строки, керамики, сверхпроводящие при температуре жидкого азота и при температуре лишь на несколько десятков градусов ниже 0 °C, получают во многих лабораториях.
Несмотря на то что большинство из них не всегда удаётся воспроизвести, из них уже делают сверхпроводящие плёнки и сверхпроводящие проволоки. Последнее, конечно, потребовало высокого экспериментального искусства.
Учёные семимильными шагами движутся по стране сверхпроводимости, чтобы превратить в реальность, ставшую столь близкой, заманчивую мечту о сверхпроводящих материалах, работающих при комнатной температуре и выдерживающих действие больших магнитных полей.
Теперь в работу включились инженеры и технологи. Ведь без остроумия инженеров и искусства технологов нельзя думать о том, что сверхпроводящие керамики можно в промышленных масштабах, без чрезмерных затрат, превращать в элементы электронных вычислительных машин. Машин, обладающих огромным быстродействием и недостижимыми сейчас объёмами памяти, из которой можно очень быстро извлекать требуемую информацию. Без инженеров и технологов невозможно наладить производство сверхпроводящих кабелей, способных передавать на большие расстояния энергию, вырабатываемую турбинами современных гидроэлектростанций, тепловых электростанций, расположенных около крупных угольных разрезов далеко от промышленных районов. Эти кабели позволят строить атомные электростанции в удалённых малонаселённых местах, располагать в южных пустынях солнечные электростанции, использовать энергию ветра и морских волн и энергию приливов там, где они особенно велики.
Катушки с намотанными на них сверхпроводящими проволоками станут эффективными накопителями электроэнергии, запасающими её в дневное время от солнечных электростанций и возвращающими в электрические сети по ночам. Или накопителями энергии ветра, когда он дует, и отдающими её в безветренное время.
Промышленность уже включилась в освоение новых высокотемпературных сверхпроводников. Но это не значит, что физики исчерпали проблему.
Ведь до сих пор физики-экспериментаторы ставят опыты интуитивно, основываясь на аналогиях, идут извилистым и трудоёмким путём проб и ошибок.
Они с надеждой следят за усилиями физиков-теоретиков, которые поняли, что теория Боголюбова, как и теория Бардина, Купера и Шриффера в их существующем виде не применимы к объяснению, а тем более к предсказанию свойств сверхпроводящих керамик. Эти теории нужно уточнить, чтобы они могли помочь экспериментаторам в выборе новых объектов исследования, новых технологических приёмов, способных улучшить свойства керамик без уменьшения достигнутого значения температуры перехода в сверхпроводящее состояние.
Сейчас предложено несколько вариантов уточнения существующей теории сверхпроводимости и делаются попытки построить более точные теории на новых основах. Теоретики заметили, что сверхпроводимость в диапазоне температур 40–100К может быть объяснена при помощи общепризнанной теории, если некоторые величины в ней сочетаются благоприятным образом. Но для более высоких температур эта полумера не достаточна. Многие считают, что в новой области температур обмен фононами не может обеспечить существование куперовских пар. По их мнению, нужно привлечь различные тяжёлые квазичастицы, с которыми мы встречались выше, например поляроны и экситоны. Предполагается, что в высокотемпературных сверхпроводниках роль куперовских пар электронов играют биполяроны — пары поляронов.
Учёные вспомнили, что подобные варианты обсуждались ещё в начале пятидесятых годов, но были заброшены после появления современной теории. Возможная роль экситонов (в частности, плазмонов) в возникновении высокотемпературной сверхпроводимости была понята ещё в середине шестидесятых годов, когда Гинзбург и Литтл выдвинули идею о создании сверхпроводящих плёнок и нитей, изготовленных из органических веществ.
Делаются попытки понять: не возникает ли высокотемпературная сверхпроводимость керамик в результате их специфического строения? Ведь керамика представляет собой хаотический конгломерат мелких кристаллов, на границах которых могут возникать сверхпроводящие слои (плёнки) или сверхпроводящие нити, формирующиеся там, где соприкасаются рёбра кристалликов.
Особый интерес физиков возбуждают «невоспроизводимые сверхпроводники», случаи, когда наблюдение сверхпроводимости, например в хлористой меди, не могли быть повторены в новых экспериментах. Считалось, что сообщения об обнаружении сверхпроводимости в таких случаях — ошибка экспериментатора. Но теперь эти эксперименты повторяют в различных вариантах, исходя из того, что положительный результат возникает из сочетания трудно воспроизводимых деталей опыта.
В работу включилось такое множество учёных, что большой конференц-зал Физического института АН СССР не мог вместить всех желающих обсудить на теоретическом семинаре, руководимом академиком Гинзбургом, достижения и пути дальнейшей работы в области сверхпроводимости. Учёным пришлось пойти на беспрецедентное разделение или, лучше сказать, расширение этого семинара. Теперь еженедельно по утрам в среду учёные обсуждают теоретические проблемы, а во второй половине дня рассматривают новейшие достижения экспериментаторов.