Новости науки

Нобелевская премия по физике 2003 г.

присуждена В.Л. Гинзбургу, А.А. Абрикосову и Э.Дж. Леггетту
за «пионерские работы по терии сверхпроводимости и сверхтекучести»

Сверхпроводимость

На заре исследований природы электричества в XIX в. стало ясно, что электрический ток в металлах и ряде сплавов объясняется движением электронов через кристаллическую решетку. Беспорядочный поток электронов заставляет ионы решетки колебаться и тем самым производить тепло. Если ток большой, выделяется такое большое количество теплоты, что проводник плавится. Также было обнаружено, что электрический ток генерирует магнитное поле, изменения которого, в свою очередь, генерируют ток. Электричество и магнетизм – два связанных явления, одно порождает другое.

В 1911 г. датский физик Г.Камерлинг-Оннес сделал потрясающее открытие. Он исследовал свойства твердых тел при низких температурах и придумал способ получать жидкий гелий – среду со сверхнизкой температурой, всего несколько градусов выше абсолютного нуля. Опустив в гелий ртуть, Камерлинг-Оннес заметил, что ее электрическое сопротивление стало равно нулю! Это явление ученый назвал сверхпроводимостью. Хотя теоретически его объяснить тогда не смогли, было ясно, насколько это явление важно, ведь электричество все больше входило в жизнь.

Прошло целых 50 лет, прежде чем физики Дж.Бардин, Л.Купер и Р.Шриффер (получившие в 1972 г. Нобелевскую премию за эту работу) представили теорию, названную впоследствии теорией БКШ и объясняющую явление сверхпроводимости. Согласно ей часть электронов проводника, взаимодействуя с положительно заряженными ионами кристаллической решетки, образуют так называемые куперовские пары (оба компонента пары – электроны – заряжены отрицательно). Электронные куперовские пары перемещаются в кристаллической решетке согласованно и без потерь энергии, что и объясняет появление сверхпроводимости. Иногда такое «спаривание» сравнивается с образованием капель жидкости при конденсации газов. Однако особенностью электронной жидкости является ее сверхпроводимость.

Сверхпроводники I рода – это чистые металлы. Они характеризуются также наличием эффекта Мейсснера – способностью «не пускать в себя» внешнее магнитное поле (конечно, если поле не превышает некоторого критического значения, после чего сверхпроводимость разрушается и образец переходит в нормальное состояние).

В.Л.Гинзбург и Л.Д.Ландау (последнему была также присуждена Нобелевская премия в 1962 г. за работы в области сверхтекучести, см. далее) ввели для описания сверхпроводящего конденсата параметр порядка, что позволило объяснить эффект Мейсснера. Если этот параметр меньше 0,71, то реализуется классический сверхпроводник I рода (например, у ртути он составляет 0,16, у чистых металлов – близок к этому), при охлаждении намагниченного образца из такого сверхпроводника поле резко выталкивается, когда температура становится ниже критической, т.е. образец переходит в сверхпроводящее состояние. Что происходит при параметре порядка больше 0,71, не рассматривалось, поскольку было в то время неактуально.

Однако позже были открыты сверхпроводники II рода, в которые внешнее магнитное поле может входить хотя бы частично. Это сплавы и соединения металлов, в частности, с медью и неметаллами. Такие сверхпроводники сохраняют сверхпроводимость даже в очень сильных магнитных полях. Их свойства не объясняются теорией БКШ.

А.А.Абрикосов, работавший тогда в Московском институте физических проблем АН СССР, математически показал, как в терминах параметра порядка можно описать поведение сверхпроводника ii рода: зарождение внутри него вихрей сверхпроводящего тока, несущих по своей оси, естественно, магнитный поток. Вот в виде таких вихрей, позже названных вихрями Абрикосова, внешнее магнитное поле и проникает внутрь сверхпроводника II рода. Теория Абрикосова детально показывала, как увеличивается количество таких вихрей с увеличением напряженности внешнего магнитного поля и как исчезает сверхпроводимость по мере их перекрывания. Она дала сильный толчок исследованию новых сверхпроводящих материалов и используется до сих пор при разработке сверхпроводящих устройств.

Знания в области сверхпроводимости привели к появлению прямо-таки революционных применений – сверхпроводниковых приборов, обладающих исключительно высокой чувствительностью (интерферометров – сквидов, болометров, магнитокардиографов, магнитоэнцефалографов и пр.) или исключительно большим магнитным полем при относительно малых размерах (сверхпроводящих электромагнитов для ЯМР-томографии, поездов на воздушных подушках, накопителей энергии, ядерных реакторов и пр.).

В течение нескольких последних десятилетий было открыто большое количество высокотемпературных сверхпроводников, обладающих сверхпроводимостью при азотных (77 К) и даже комнатных температурах. От требуемой температуры окружающей среды в сильной степени зависит объем применения сверхпроводников, ведь жидкий гелий очень дорог, да и обращаться с ним может только высококвалифицированный персонал. Начало исследованиям высокотемпературных сверхпроводников положили Дж.Беднорц и А.Мюллер, удостоенные за свои исследования Нобелевской премии в 1987 г. Все высокотемпературные сверхпроводники являются сверхпроводниками II рода.

Сверхтекучесть

Самый легкий в природе газ – гелий – существует в двух модификациях, т.е. имеет два изотопа. Обычный изотоп – Не4, в ядре которого содержатся два протона и два нейтрона. Более редок (примерно в 10 млн раз) изотоп Не3, в ядре которого только один нейтрон, следовательно, оно легче.

Если охладить гелий примерно до 4 К, он ожижится, сконденсируется, как обычный пар конденсируется в воду. При такой температуре свойства обоих жидких изотопов одинаковы и похожи на свойства обычных жидкостей. Не4 достаточно распространен и широко используется как хладагент для охлаждения, например, сверхпроводящих магнитов. При охлаждении же до сверхнизких температур вследствие квантовых эффектов жидкости становятся сверхтекучими, т.е. приобретают свойство не терять энергию при перетекании с одного места на другое. При этом критические температуры двух изотопов существенно разнятся.

Явление сверхтекучести жидкого Не4 (примерно при 2 К) в конце 30-х гг. прошлого века обнаружил П.П.Капица (за исследования в этой области ему была присуждена Нобелевская премия, но через много лет, только в 1978 г.). Это явление было почти сразу же объяснено молодым теоретиком Л.Д.Ландау как пример конденсации Бозе–Эйнштейна (подобное явление не так давно было экспериментально открыто в газах, за что Э.Корнеллу, В.Кеттерле и К.Виману была присуждена Нобелевская премия 2001 г.).

Сверхтекучесть изотопа Не3 (критическая температура в 1000 раз ниже, чем у Не4!) была открыта намного позже, в конце 70-х гг. минувшего века, Д.Ли, Д.Ошеровым и Р.Ричардсоном (нобелевские лауреаты 1996 г.). Механизм сверхтекучести этого изотопа похож на механизм обазования куперовских пар в сверхпроводниках, и первым объяснил его Э.Леггетт, работавший тогда в университете графства Сассекс (Великобритания).

В сверхтекучем Не3 атомы образуют пары, обладающие магнитным моментом, что обуславливает анизотропность этой жидкости. Как показали исследования в магнитном поле, она может представлять собой смесь трех фаз, соотношение которых определяется значениями температуры, давления и магнитного поля. Результаты этих исследований используются при изучении причин возникновения турбулентности.

http://www.nobel.se/physics/laureats/2003 ;
http://www.kva.se