К столетию открытия сверхпроводимости

Хейке Камерлинг-Оннес. Биографичеcкий очерк

Сверхпроводимость

Однако главным направлением своих исследований Камерлинг-Оннес по-прежнему считал «изучение параметров разных веществ при гелиевых температурах». Одним из первых экспериментов при температуре жидкого гелия стало измерение электрического сопротивления металлов при различных температурах.

Сначала Камерлинг-Оннес изучил эталоны платины и золота, так как конкретно эти металлы имелись тогда в довольно чистом виде. При понижении температуры образцов сопротивление исправно падало, стремясь к некоторому неизменному значению (остаточному сопротивлению), но значения электрических сопротивлений разных образцов, при равных условиях были тем меньше, чем чище оказывался сплав. Отсюда вывод: «… беря во внимание поправку на достаточное сопротивление, я пришел к заключению, что сопротивление полностью незапятнанной платины при температуре кипения жидкого гелия, может быть, исчезнет».

Для подтверждения гипотезы требовалось исследовать образцы чистых металлов, но в то время получить чистую платину было непросто. Поэтому Камерлинг-Оннес остановился на ртути, которую нетрудно выделить в чистом виде дистилляцией и фильтрованием. Этот выбор можно назвать особенно удачным потому, что температура сверхпроводящего перехода ртути (4,15 К) немного ниже температуры превращения гелия в жидкость - 4,20 К. Если бы исследователь продолжал эксперименты с платиной, золотом и серебром, то сверхпроводимости он, скорее всего, не обнаружил. Но ему повезло, и сразу стало ясно: открыто принципиально новое явление.

Серия U-образных трубок, заполненных ртутью, которая впоследствии замораживалась в криостате с жидким гелием.

Камерлинг-Оннес заморозил ртуть в сосуде, содержащем жидкий гелий, и приступил к измерению сопротивления. Вначале все было так, как предугадывала теория. Электрическое сопротивление ртути плавно падало по мере понижения температуры: 10; 5; 4,2К, и сопротивление стало таковым малым, что его вообще не удавалось зарегистрировать устройствами, имевшимися в лаборатории. Позже в 1913г., вспоминая этот период, Камерлинг-Оннес писал: «Будущее казалось мне красивым. Я не видел перед собой проблем. Они были преодолены и уверительность опыта не вызвала сомнений». И вдруг случилось неожиданное.

В ходе дальнейших экспериментов на усовершенствованной аппаратуре Оннес заметил, что сопротивление ртути при температуре около 4,1 К уменьшалось не плавно, а скачком до постоянно малой величины, т.е. исчезало начисто.

Первая мысль была о неисправности устройства, с помощью которого измерялось сопротивление. Включили другой. И вновь при температуре 4,1 К стрелка устройства прыгнула к нулю. Тут было от чего придти в замешательство: до абсолютного нуля было ещё четыре градуса. И он повторяет опыт ещё раз. Изготовляет из ртути новый эталон; берет даже совсем загрязненную ртуть, у которой остаточное сопротивление обязано быть ярко выражено, замеряет измерительный устройство точнейшим зеркальным гальванометром. Но сопротивление по-прежнему исчезало. Вот тогда, наверное, Камерлинг-Оннес и произнес в первый раз слово сверхпроводимость «… и не осталось колебаний в существовании нового состояния ртути, в котором сопротивление физики исчезает… ртуть перешла в новое состояние, и, беря во внимание его исключительные электрические характеристики, его можно назвать «сверхпроводящим состоянием».

Через два года Камерлинг-Оннес измерил температуру сверхпроводящего перехода свинца (7,2 К), олова и таллия. Нет нужды говорить о том, каким это была сенсация. Очевидно, Оннес думал о загадке сверхпроводимости, но тогда, в декабре 1913 года, ему оставалось лишь предполагать: «Эта работа обязана приподнять покрывало, которым тепловое движение при обыденных температурах закрывает от нас внутренний мир атомов и электронов... Из всех областей физики к нам приходят вопросы, ожидающие решения от измерений при гелиевых температурах».

Современные СП магниты БАК

В 1913 году Камерлинг-Оннес дает выстроить массивный электромагнит с обмотками из сверхпроводящего материала. Таковой магнит не потреблял бы электроэнергии, и с его помощью можно было бы получать сверхсильные магнитные поля. Как лишь пробовали пропускать по сверхпроводнику значимый ток, сверхпроводимость исчезала. Скоро оказалось, что и слабое магнитное поле тоже уничтожает сверхпроводимость. Существование критических значений температуры, тока и магнитной индукции резко ограничивало практические способности сверхпроводников.

Камерлинг-Оннес предположил, что объяснение сверхпроводимости будет дано квантовой теорией. Однако только спустя полвека в 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер предложили теоретическое объяснение явления сверхпроводимости.

Следующая страница: Признание