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

Высокотемпературная сверхпроводимость

Сотрудники швейцарского научно-исследовательского подразделения известной американской фирмы "Интернейшенл бизнес мэшин" Дж. Беднорц и А. Мюллер, исследуя электропроводность керамики, содержащей редкоземельные элементы, обнаружили, что она переходит в сверхпроводящее состояние при 30K! (Редкоземельные элементы - лантаноиды, относятся к III группе таблицы Менделеева. Кроме лантана в нее входят еще 14 элементов (церий, гадолиний, диспрозий, туллий и др.)). Дальше сенсации посыпались одна за другой - лаборатории во многих странах "навалились" на такие керамики. Были найдены аналогичные материалы, сохранявшие сверхпроводимость и при более высоких температурах, вплоть до азотных (78K) и даже более высоких, превышавших 100K. Дж. Беднорц и А. Мюллер вполне заслуженно стали в 1987 г. лауреатами Нобелевской премии.

С открытием высокотемпературной сверхпроводимости связана одна немного грустная, но поучительная история. Еще за семь лет до этого события, в 1979 г., сотрудники Института общей и неорганической химии (ИОНХ) АН СССР И. С. Матыгин, Б. Г. Кохан и В. Б. Лазарев сделали лантан-стронциевую и лантан-бариевую керамики. Изучая их свойства, они обнаружили высокую электропроводность, которая быстро увеличивалась по мере понижения температуры. Вместо того чтобы посмотреть, к чему это понижение сопротивления в конце концов приведет, они добрались до азотных температур и остановились. Потом выяснилось, что эти керамики уже при 40-35K переходят в сверхпроводящее состояние. Не хватило всего-навсего любопытства, чтобы посмотреть, что будет дальше. Но для этого нужно было возиться с жидким гелием (или водородом)... Так было упущено великое открытие. Поистине А. С. Пушкин оказался и здесь, как во многих случаях прав, когда написал "мы ленивы и нелюбопытны".

Несмотря на значительную работу теоретиков всего мира, механизм этого вида сверхпроводимости далеко еще не ясен. Сенсационное открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) возродило надежды на создание СП-линий электропередачи, накопителей электроэнергии, генераторов и многих других устройств. Ведь главное препятствие - трудное и дорогое обеспечение криотемператур на гелиевом или водородном уровнях - отпадало! Работать с жидким азотом или другими аналогичными криоагентами гораздо легче! Некоторые "специалисты" (правда, далекие от криогеники) даже утверждали всерьез, что "жидкий азот дешевле газированной воды". Это, конечно, далеко не так. Однако переход с уровня температур 4-20K на уровень температур 80-100 К несомненно создал бы совершенно новые, качественно более благоприятные условия для расширения использования сверхпроводников в технике.

Но, увы, все оказалось сложнее. Повторяется та же ситуация, что создалась во времена Камерлинг-Оннеса после открытия сверхпроводимости. Новые керамические проводники пока не выдерживают больших токов - сверхпроводимость легко разрушается. Кроме этого, для практического использования нужны сверхпроводящие провода и кабели, а не пластинки или пленки из керамики. Поэтому идет сложная, медленно продвигающаяся, но не безуспешная работа по созданию новых сильноточных сверхпроводников и изделий из них, пригодных для технического использования. Если она завершится успешно, откроются огромные возможности: все описанные выше проекты (да и многие другие) пойдут в ход. Появится возможность создания линий электропередачи, электрических машин, компактных накопителей (аккумуляторов) энергии огромной емкости - стационарных и транспортных, мощных электромагнитов, приборов и другого оборудования (вплоть до «магнитных пушек», забрасывающих объекты в космос).

Проблемы, относящиеся к области низких температур, в перспективе могут быть различными; скорее всего значительная часть СП-устройств будет по-прежнему нуждаться в криогенной или холодильной технике. Правда, некоторые "горячие головы" утверждают, что вся сверхпроводимость станет возможной на уровнях температур окружающей среды и даже более высоких. В этом случае расторжение многолетнего союза между сверхпроводимостью и криогеникой вполне возможно. Пока же этот "брак" достаточно прочен и "развода" не намечается. Теперь необходимо вернуться к основной теме - низким температурам и проследить, как развивалась во второй половине ХХ в. ее наиболее низкотемпературная часть - криогеника и ее приложения в технике.

Следующая страница: 8.1. «Кислородные дела»