Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

7.4. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ - РАЗОЧАРОВАНИЯ, УСПЕХИ И НАДЕЖДЫ

После первоначальной эйфории, охватившей ученый мир, узнавший об открытии Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости, наступило и некоторое разочарование, связанное как с тем, что сверхпроводимость легко разрушалась под действием электрического и магнитного полей, так и с тем, что не удалось обнаружить веществ, которые сохраняли ее при Т> 10K. Тем не менее физики продолжали исследования.

Вопрос могли решить лишь новые факты, полученные из экспериментов, и теория, которая, с одной стороны, могла бы "вместить" эти факты и, с другой стороны, показала бы, на что можно было рассчитывать в перспективе. Мы не можем здесь детально вникать в историю событий, связанных со сверхпроводимостью; они подробно описаны во многих научно-популярных изданиях [1, 6, 8, 14]. Отметим лишь основные вехи.

В 1933 г. Мейснер и Оксенвельд обнаружили, что внешнее магнитное поле не проникает внутрь сверхпроводника, если его значение не превышает некоторого критического значения. (В 1934 г., еще не зная о работе Мейснера, это явление открыл Л. Шубников.). Это явление - "выталкивание" магнитного поля из сверхпроводника получило название "эффекта Мейснера". Последующие исследования дополнили картину процессов в сверхпроводнике, связанную с этим эффектом.

Среди них важное место заняли результаты, полученные Шубниковым в Харькове еще в 1934 г. и затем А. Шальниковым в Москве. Они обнаружили внутри сверхпроводника сложное "промежуточное состояние" - чередующиеся сверхпроводящие и нормальные слои. Такой "слоеный пирожок" получил название "фазы Шубникова". Оказалось, что при увеличении поля оно проникает в сверхпроводник не сразу (и следовательно, подавляет сверхпроводимость тоже не сразу). Это сложный процесс; сверхпроводник ему упорно сопротивляется, отстаивая каждую промежуточную позицию. Если можно было бы как-то увеличить это противодействие, то повысились бы и критические токи, и критические температуры.

В 1937 г. Ландау теоретически вывел то же, что показал Шубников в экспериментах, - в сверхпроводнике переход в нормальное состояние должен происходить не сразу, а постепенно. Понятие о таком "промежуточном" состоянии сверхпроводников ввели за год до этого в Англии Р. Пайерлс и Ф. Лондон. По мере увеличения поля оно частично проникает в сверхпроводник, причем должны образоваться чередующиеся слои - сверхпроводящие и нормальные.

В 1950 г. Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбург сделали следующий шаг - они создали феноменологическую теорию сверхпроводимости. (Феноменологическая - от греческого слова "феномен" - явление, т.е. то, что постигается наблюдением, живым восприятием; противоположно по смыслу слову "ноумен" - умопостигаемое, абстрактное. Применительно к физической теории означает, что она обобщает экспериментально найденные явления, претендуя на достаточно полное объяснение их причин (это, однако, не отрицает ее возможности прогнозировать и новые факты)). В основу была положена идея Ландау об аналогии между сверхпроводимостью и сверхтекучестью. В том же 1950 г. группой советских физиков была начата разработка теории так называемых сверхпроводников II рода, которые могли более успешно сопротивляться проникновению в них магнитного поля, чем обычные, камерлинг-оннесовские (теперь они стали называться сверхпроводниками I рода). Кроме Ландау в эту группу входили В. Л. Гинзбург, А. А. Абрикосов и Л. П. Горьков. Сокращенно эта теория называлась ГЛАГГ. К 1952 г. работа была завершена.

В 1956 г. американский физик Л. Купер разработал новую теорию, по которой свободные электроны, несущие ток, в сверхпроводнике движутся не индивидуально, а образуют пары, Такая "любовная связь" между ними считалась до этого абсолютно невозможной, поскольку, имея одинаковые отрицательные заряды, они должны взаимно отталкиваться. Однако при криотемпературах их взаимодействие с атомной решеткой металла создает силы притяжения, преодолевающие это отталкивание. Электроны, движущиеся парами (так называемые "куперовские пары"), перемещаются в сверхпроводнике без сопротивления. Но, увы, связи этих пар прочны только при низких температурах; подогрев или действие сильного магнитного поля приводят к их разрыву, и сверхпроводимость исчезает. Теория "куперовских пар", как они были потом названы, дала прочную основу для понимания сверхпроводимости.

Год 1957 был знаменательным не только потому, что в нем были сделаны многие фундаментальные работы в области сверхпроводимости. В этом году, во время "оттепели", П. Л. Капица снова получил "международное хождение". После долгого перерыва в Москве на конференции по физике низких температур, проходившей в ИФП у Капицы, встретились люди, работавшие в разных странах над исследованиями сверхтекучести и сверхпроводимости. На традиционном банкете в честь завершения конференции первый тост был принят в памвпъ Л. В. Шубникова.

Наконец, в том же 1957 г. (через 46 лет после открытия Камерлинг-Оннеса) была создана первая достаточно полная для того времени микроскопическая теория сверхпроводимости, оснонованная на "куперовских парах". Это было сделано независимо в СССР Н. Боголюбовым и в США Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером (БКШ-теория). Американские физики в 1972 г. получили за эту работу Нобелевскую премию.

Следующая страница: Сверхпроводники и практические проблемы их применения