История изучения сверхпроводимости: сенсационные открытия и новые вопросы

Хорошо известно, что Нобелевская премия весьма часто присуждается через несколько десятилетий после того, как было сделано соответствующее открытие.

Тем больший интерес вызывают отступления Нобелевского комитета от этой «традиции». Так, нобелевскими лауреатами 1987 года стали Йоханнес Беднорц и Карл Мюллер; премия по физике была присуждена им за открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТС). В 1986 году, когда Беднорц и Мюллер, работавшие в цюрихском филиале фирмы IBM, неожиданно обнаружили сверхпроводимость у некоторых материалов керамического происхождения при температуре на 35 градусов выше абсолютного нуля. Их открытие сопровождалось огромным числом публикаций по тематике ВТС, а Конгресс США даже посвятил ему специальное заседание.

Экспертное сообщество ожидало, что не позже чем через год удастся получить сверхпроводники при комнатной температуре, причем большинство экспертов было убеждено, что открытие ВТС стимулирует переворот в технике, сравнимый с тем, который последовал за изобретением транзистора. Их ожидания, однако, не оправдались: оказалось, что те вещества, у которых была зафиксирована ВТС, являются проблемными с точки зрения их технологической обработки.

Ажиотаж вокруг открытия высокотемпературной сверхпроводимости неудивителен: полученный Беднорцем и Мюллером результат означал появление надежды найти такие вещества, которые будут сверхпроводящими при относительно высоких температурах. Поиски таких веществ начались после 1911 года, когда сверхпроводимость была открыта знаменитым голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом. Исследуя свойства жидкого гелия, Каммерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре, всего лишь на 4, 2 градуса превышающей абсолютный ноль, электрическое сопротивление твердой ртути становится равным нулю. Через два года Камерлинг-Оннес становится лауреатом Нобелевской премии; физики же начинают всесторонние исследования открытого им явления, и одной из главных задач для них становится максимальное повышение температуры перехода в сверхпроводящее состояние — критической температуры сверхпроводника.

В 1933 году Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд открывают у сверхпроводников удивительный эффект: оказывается, что они способны «выталкивать» магнитное поле за пределы образца. Иначе говоря, Мейснер и Оксенфельд обнаружили, что в присутствии небольшого по интенсивности магнитного поля сверхпроводники напоминают идеальные диамагнетики. Если же магнитное поле становится достаточно сильным, то состояние сверхпроводимости разрушается. Вскоре Фриц Лондон высказывает гипотезу, что для сверхпроводников диамагнетизм вообще является фундаментальным свойством. Гипотеза Лондона подтвердилась; согласно современному определению, состояние сверхпроводимости предполагает в равной степени и отсутствие у образца электрического сопротивления, и его идеальный диамагнетизм.

Что же касается теории явления, то появления ее пришлось ждать довольно долго. Весьма важной оказалась идея Лондона, предположившего, что по своей природе сверхпроводимость — это квантовый эффект, проявляющийся во всем объеме образца. Эту идею развили Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер, удостоенные в итоге Нобелевской премии 1972 года за «совместное создание теории сверхпроводимости». Согласно этой теории, названной в честь авторов «теорией БКШ», электроны в сверхпроводнике ведут себя как совокупность так называемых «куперовских пар», возникновение которых обусловлено взаимодействием электронов с колебаниями кристаллической решетки. Электронная система куперовских пар движется через кристаллическую решетку металла, не замечая ее и, таким образом, не теряя энергию.

Существенный вклад в понимание природы сверхпроводимости внесли

также советские физики-теоретики Виталий Гинзбург, Лев Ландау, Николай Боголюбов, Алексей Абрикосов. За работы по сверхпроводимости Гинзбург и Абрикосов (совместно с британским физиком Энтони Леггетом) были в 2003 году удостоены Нобелевской премии по физике. Однако существующая теория сверхпроводимости распространяется только на так называемые «низкотемпературные сверхпроводники», природу же открытой Беднорцем и Мюллером ВТС теоретикам объяснить не удается. «Прошло уже 20 лет, в течение которых лучшие умы размышляют на эту тему, и тем не менее до сих пор никто не может сказать, как «она» работает», — говорит Роберт Кава, специалист по сверхпроводникам из Принстонского университета. В исследовании этого удивительного феномена экспериментаторы пока явно опережают теоретиков.

Наиболее неожиданным в открытии Беднорца и Мюллера стал химический состав тех веществ, в которых была обнаружена ВТС. Сверхпроводимость демонстрировала оксидная керамика (ее обычно использовали как диэлектрик или полупроводник); те же вещества, которые считались перспективными в исследованиях по увеличению температуры сверхпроводящего перехода, таковыми не оказались. Вполне естественно, что новый класс сверхпроводников стал тщательно изучаться, и вскоре в нескольких физических лабораториях удалось получить новые виды металлоксидных сверхпроводников, причем наиболее успешными в этом были физики США, Японии, Китая и России. Почти все высокотемпературные сверхпроводники нового поколения содержат двуокись меди, в связи с чем их именуют купратными сверхпроводниками.

Заметим, что в настоящее время максимальная температура сверхпроводящего перехода (при условии высокого давления) составляет 165 К.

В этой ситуации научной сенсацией стало открытие японского физика Хидео Хосоно из Токийского института технологий, хотя оно и не было связано с продвижением вверх по шкале температур сверхпроводящего перехода. Хосоно удалось обнаружить принципиально новый вид сверхпроводящих материалов, в состав открытых им сверхпроводников входило железо. Ранее одновременное присутствие в образце железа и его сверхпроводимость считалось невозможным. Статья Хосоно, сообщавшая о первом из таких материалов, была опубликована в феврале 2008 года в журнале американского химического общества, и с тех пор научные журналы опубликовали более сотни статей о различных свойствах новых сверхпроводников. «Я не мог даже предполагать, что мои результаты вызовут такой ажиотаж», — говорит Хосоно.

Как и в случае открытия ВТС, открытие Хосоно было в значительной степени случайным. Задачей Хосоно был синтез прозрачного полупроводника — поэтому он и начал экспериментировать с соединениями самых разных химических элементов: с железом, с мышьяком, с кислородом и редкоземельным металлом лантаном. Так, предполагая увеличить электропроводность получаемого вещества, часть атомов кислорода он заменил атомами фтора… в итоге же с удивлением обнаружил полное исчезновение электрического сопротивления образцов при температуре 26 К.

Прошло всего лишь несколько недель, и эксперименты Хосоно были воспроизведены в Пекинском институте физики, сотрудники которого заменили атомы лантана атомами церия и довели температуру сверхпроводящего перехода до 41 К. Развивая достигнутый успех, китайские физики продолжают продвигаться вверх по шкале температур. Так, Сяньхунь Чень из Китайского университета науки и технологии заменил атомы лантана на атомы самария и в результате добился повышения температуры сверхпроводящего перехода на два градуса. Затем он вновь заменил лантан — на этот раз на неодим и празеодим, и температура сверхпроводящего перехода снова выросла — на этот раз до 50 К.

После выхода в свет статьи Хосоно прошло всего два месяца, а температуру сверхпроводящего перехода удалось увеличить до 55 К. Этот результат был получен в том же Институте физики в Пекине исследовательской группой под руководством Жонга Ксиан Жао.

Почему же такие материалы оказались столь привлекательны для физики? Вспомним, что сверхпроводимость может быть разрушена достаточно сильным магнитным полем… это и имел в виду физик-теоретик из Иллинойского университета Филипп Филипс, сказавший на страницах журнала New Scientist: «Если вы собираетесь искать где-либо сверхпроводимость, то в самую последнюю очередь это можно делать с веществами, в состав которых входит железо» (напомним, что железо является ферромагнетиком, присутствие которого усиливает магнитное поле). Сверхпроводимость и железо казались несовместимыми еще и потому, что в процессе намагничивания ферромагнетиков спины — собственные магнитные моменты электронов — ориентируются в одном направлении, спины же электронов в куперовских парах направлены противоположно друг другу.

Понятно, что даже незначительный успех с повышением температуры сверхпроводящего перехода у материалов с присутствием арсенида железа означал, что в изучении сверхпроводимости необходимо отойти от стереотипов. Удалось установить, что механизм протекания тока в лантансодержащих проводниках во многом напоминает механизм распределения тока внутри купратных сверхпроводников. В первом случае ток протекает по слоям оксида меди, во втором — по слоям арсенида железа. Два, казалось бы, совершенно разных вида сверхпроводящих материалов оказываются весьма близки по своим свойствам, и это заставляет задуматься о правильности привычного противопоставления магнетизма и сверхпроводимости. Оказалось, что «железные» сверхпроводники похожи на низкотемпературные.

Итак, открытые Хосоно сверхпроводники похожи по свойствам (хотя и по-разному) и на низкотемпературные, и на высокотемпературные. Некоторых ученых это обстоятельство воодушевило; они считают, что должен существовать ясный механизм сверхпроводимости, описывающий разные ее виды.

При этом сверхпроводники на основе арсенида железа весьма перспективны в том числе и благодаря своей способности эффективнее — в сравнении с купратными сверхпроводниками — противостоять сильному магнитному полю. Так, в мае 2008 года исследователи из Флоридского государственного университета отметили в своей статье в Nature, что сверхпроводимость в материалах такого класса начинает разрушаться только при очень больших значениях магнитных полей, порядка 45 Тесла. По этой причине «железные» сверхпроводники могут оказаться незаменимыми, когда речь идет об изготовлении мощных электромагнитов, которые используют, к примеру, в магниторезонансной терапии (правда, изготавливать сверхпроводники на основе арсенида железа весьма непросто из-за высокой токсичности мышьяка).

Китайские физики уже изготовили первые экспериментальные образцы проволок из сверхпроводящих материалов на основе арсенида железа и лантана. Излишне говорить, что использование проводников без потерь энергии в виде джоулева тепла могло бы принципиально изменить ситуацию в электроэнергетике. Для этого, однако, необходимо поднять критическую температуру сверхпроводников с арсенидом железа до еще более высоких значений — по крайней мере, до 77 К, температуры жидкого азота (существенного более дешевого по сравнению с жидким гелием). Пока же исследования продолжаются, и эксперты расходятся в оценках перспективности. Некоторые считают, что для химических соединений с редкоземельными элементами никогда не удастся добиться сверхпроводимости при температурах выше 55 К. По мнению же других, исследовательским группам следует существенно больше внимания уделять редкоземельным элементам. Так, вызывают осторожный оптимизм недавние эксперименты по выращиванию монокристаллов редкоземельных арсенидов железа со степенью чистоты, многократно превышающей степень чистоты поликристаллов, которые использовались до сих пор. Впрочем, опубликованные в марте 2009 года новые экспериментальные результаты группы Хосоно еще более удивительны: оказалось, что некоторые сплавы становятся сверхпроводящими вследствие поглощения ими содержащегося в воздухе водяного пара.

Итак, через два десятилетия после открытия Беднорца и Мюллера изучение сверхпроводимости вновь поставило перед физиками вопросы, ответы на которые найти весьма не просто. Спустя почти век после исторического открытия Каммерлинг-Оннеса перед физиками — теоретиками вновь поставлена амбициозная задача, и будем надеяться, что ее решения не придется ждать несколько десятилетий…