Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика | Популярные заметки
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

НовостиНобелевская премия по физике за 2003 год

НовостиМировая линия Гамова

НовостиПремия Декарта - Российскому ученому

Научные статьиПринцип динамического баланса и его реализация в учебном процессе

Подробнее о Нобелевских лауреатах 2003 Подробнее о Нобелевских лауреатах 2003
10.10.2003 17:30 | Phys.Web.Ru
    

Седьмого октября 2003 года три профессора были застигнуты врасплох звонками из Швеции: британец Энтони Леггетт и два выпускника Московского университета Алексей Алексеевич Абрикосов и Виталий Лазаревич Гинзбург. Именно этим людям в этом году доведется участвовать в церемонии вручения Нобелевских премий по физике в роли лауреатов.

В этом году самой престижной мировой премией будет вознагражден пионерский вклад каждого из этих ученых в развитие теорий сверхпроводимости и сверхтекучести.

Томограмма работающего сердца (University of Nottingham, MR Group)
Важность сверхпроводников для современной науки и промышленности вряд ли нужно подробно обосновывать. Достаточно вспомнить о преимуществах передачи энергии или данных без сопротивления, о сверхсильных магнитных полях и сверхвысокой чувствительности, получаемых в современных исследованиях на СКВИДах (сверхпроводящих квантово-интерференционных датчиках) и медицинских установках, таких как ЯМР-томографы (кстати, тоже Нобелевская премия этого года - но уже по физиологии и медицине). А наиболее зрелищным примером их применения, конечно являются поезда-маглевы, использующие явление магнитной левитации - эффект Мейсснера-Оксенфельда.

Немного о виновниках торжества - россиянах. Оба, по окончании физического факультета МГУ им. Ломоносова, с разницей в семь лет (В.Л.Гинзбург защищал кандидатскую диссертацию после аспирантуры физфака) решили продолжать научную работу в Физическом институте АН СССР им. П.Н.Лебедева (ФИАН). Работы этих выдающихся ученых были уже неоднократно отмечены правительственными и международными премиями. Вот и мечта любого физика - Нобелевская. Так что же было сделано ими в области сверхпроводимости и сверхтекучести?

Без сопротивления


От лаборатории к практике: левитация маленького образца (в заголовке статьи); пути японского экспериментального маглев-поезда; Transrapid Test Facility, Emsland, Germany

История исследования обоих "нобелевских" явлений этого года началась в 1908 году в Лейдене, в лаборатории Х.Камерлинг-Оннеса с получением жидкого гелия. Надо отметить, что первые полтора десятка лет только его лаборатории удавалось ожижать гелий и исследовать температурную область от 4,2 до 77 Кельвинов.

Систематические исследования проводимости, проводившиеся Камерлинг-Оннесом с сотрудниками, привели к открытию резкого исчезновения электрического сопротивления ртути вблизи температуры кипения гелия в 1911 году. Уже через два года за это открытие была присуждена первая Нобелевская премия. Продолжавшиеся исследования давали новые результаты, была открыта сверхпроводимость белого олова и свинца. Камерлинг-Оннес ошибочно полагал, что аналогичное исчезновение сопротивления свойственно всем чистым металлам - нужно только должным образом очистить их от примесей. Именно легкость очистки и дистилляции ртути, а также близость температуры сверхпроводящего перехода к точке кипения гелия и позволили открыть сверхпроводимость в 1911 году, а не позже.

Голландские ученые обнаружили и то, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем, а также построили в 1914 году первый электромагнит со сверхпроводящей обмоткой. Затем, в 1933, Мейсснер и Оксенфельд сообщили об открытии полного вытеснения магнитного поля из сверхпроводника. Это позволило считать сверхпроводящее состояние "фазой" в термодинамическом смысле слова. А в 1937 (незадолго до своего ареста и расстрела) Л.В.Шубников сообщил о необычном поведении некоторых сплавов, обладающих сверхпроводящими свойствами. Это были первые намеки на различение сверхпроводников I и II рода.

В 1938 П.Л.Капице удалось обнаружить новое состояние гелия, названное за полную потерю вязкости сверхтекучим. Первые признаки новой фазы гелия (гелия-II) были обнаружены еще в том же 1911 году Камерлинг-Оннесом, однако идея искать сверхтекучести не посетила его. Это открытие, кстати, помогло Капице освободить из тюрьмы арестованного в 1937 году Льва Ландау. Знаменитый теоретик к 1941 году разработал теорию сверхтекучести, хотя и не сделал тогда всех необходимых для понимания природы эффекта выводов. В частности, хотя уже тогда было в ходу представление о сверхпроводимости как течении электронной жидкости без сопротивления, он не рассматривал связи эффекта с феноменом Бозе-Эйнштейновской конденсации и не считал сверхпроводимость и сверхтекучесть столь уж родственными явлениями. Смущало то, что электроны и атомы гелия подчиняются различным статистическим распределениям: Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна соответственно.

Личный вклад

Лев Ландау
(фото с сайта "Ядерная физика в Интернете")

Вторая мировая война заставила эвакуировать ряд крупных научных центров из Москвы и Ленинграда. В эвакуации в Казани Л.Д.Ландау и В.Л.Гинзбург приступили к разработке теории сверхпроводимости, основывающейся на представлениях о параметрах порядка и теории Ландау фазовых переходов второго рода. Эта теория сверхпроводимости была опубликована в 1950 году и известна сегодня под названиями теории Гинзбурга-Ландау или пси-теории сверхпроводимости. Она обобщала и решала ряд проблем теории Г. и Ф.Лондонов, уже тогда во многом объяснявшей поведение сверхпроводников I рода, полностью вытесняющих магнитное поле, в области низких температур и слабых полей. Пси-теория, в свою очередь, рассматривала главным образом непосредственно область фазового перехода, т.е. так называемые критические явления. В одно из основных квантовомеханических уравнений новой теории в качестве параметра входил и некий эффективный заряд e*, который, как оказалось, лежит в пределах от 2 до 3 элементарных зарядов электрона e.

Уже после создания теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (1957 г.), Горьков показал, что e* = 2e строго. Это вполне логично, если вспомнить о том, что в сверхпроводящих материалах первого рода за счет взаимодействия электронов проводимости с колебаниями атомов кристаллической решетки (фононами) образуются так называемые куперовские пары электронов. Они обладают, как нетрудно догадаться, зарядом 2e, и подчиняются уже статистике Бозе-Эйнштейна, то есть могут все находиться в основном состоянии - состоянии Бозе-конденсата. Создание теории БКШ оказалось возможным благодаря открытию зависимости критической температуры сверхпроводников I рода от массы атомов в решетке (т.н. изотопического эффекта). В своей предъюбилейной статье (УФН), посвященной истории сверхпроводимости, академик Гинзбург сетует, что не догадался о возможности подобного спаривания электронов с образованием одного бозона из двух фермионов, что особенно досадно, поскольку еще в 1952 году он сам показал, что газ заряженных бозонов должен вести себя аналогично сверхпроводнику в смысле вытеснения магнитного поля (эффекта Мейсснера-Оксенфельда). До сих пор теория развивалась только для сверхпроводников I рода.

При разработке теории Гинзбурга-Ландау был обнаружен еще один фундаментальный параметр, влияющий на устойчивость сверхпроводящего состояния. В своей работе Гинзбург и Ландау рассмотрели лишь одну из областей возможных значений этого параметра ($\varkappa\lt 1/\sqrt{2}$), тогда как при прочих значениях должна "наблюдаться некоторая неустойчивость". Как показал в 1957 году другой Нобелевский лауреат этого года, Алексей Алексеевич Абрикосов, эта неустойчивость соответствует возникновению так называемого смешанного состояния, где сверхпроводящая и нормальная фаза сосуществуют, а магнитный поток проникает в сверхпроводник отдельными порциями - квантами, которые образуют т.н. решетку вихрей Абрикосова. Именно это смешанное состояние реализуется в определенном интервале магнитных полей в сверхпроводниках II рода. Оказалось, что теория, разработанная для сверхпроводников I рода, работает еще и здесь.

Академик Гинзбург, как и некоторые другие ученые, искал другие механизмы возникновения сверхпроводимости помимо электрон-фононного взаимодействия, которые позволили бы получить сверхпроводники при температурах выше 100 Кельвинов. Так, он рассмотрел поведение квазидвумерного сверхпроводника-сэндвича - тонкой сверхпроводящей пленки между слоями диэлектрика. В этой модели электроны взаимодействовали бы не с фононами, энергия которых ограничена уровнем температуры Дебая, а с экситонами - квазичастицами, соответствующими возбуждению связанных электронов диэлектрических слоев. Этот шаг весьма важен, поскольку наиболее перспективные современные высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) - купраты - представляют собой изначально непроводящую диэлектрическую слоистую основу из оксида меди CuO с примесями различных металлов.


Купратные ВТСП-материалы представляют собой, как оказалось, достаточно сильно обособленный класс материалов, жаркие споры о механизмах сверхпроводимости в которых начались после их открытия и не завершены до сих пор. Нобелевскими премиями уже были отмечены:

  • открытие сверхпроводимости;
  • объяснение ее в сверхпроводниках I рода, являющих собой металлы и их сплавы;
  • открытие ВТСП-керамических материалов Беднорцем и Мюллером в 1986 году.
Теперь отмечен и вклад в разработку теорий, более широко объясняющих течение квантовых жидкостей без сопротивления. Пожалуй, на этом пути еще ждут нас удивительные открытия, как и новые приятные новости из Швеции.

Алексей Крашенинников, Phys.Web.Ru

Фото Faculteit NWI, Universiteit van Amsterdam; High Speed Rail by Oliver Keating; Schiller Institute; University of Nottingham, MR Group


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования