Сверхпроводимость

Исследования в области низких температур, первоначально преследовавшие сугубо практические цели, а за тем проводившиеся для получения газов в чистое виде и изучения фазовых переходов вещества, в наш век привели к крупным научным открытиям. В 1908 г. нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес получил жидкий гелий, приблизившись к температуре лишь на 1 градус выше абсолютного нуля. Располагая такой техникой, он задумал провести серию обычных физических экспериментов, связанных с изучением свойств вещества. Прежде всего он решил проверить замеченный ранее эффект увеличения электропроводности с понижением температуры. В 1911 г. Камерлинг-Оннес совершенно неожиданно обнаружил, что при температуре жидкого гелия сопротивление ртутного проводника внезапно снижается в миллионы раз и практически исчезает. Это странное явление получило название «сверхпроводимость». Открытие Камерлинг-Оннеса произвело большое впечатление на ученых, и уже в 1913 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике.

Открытие явления сверхпроводимости было с энтузиазмом воспринято электротехниками, ибо вселяло надежды на создание высокоэффективных электрических машин. Однако довольно скоро выяснилось, что восторги были преждевременными. Проблема заключалась не только в сложности охлаждения проводника до сверхнизких температур, но и в том обстоятельстве, что сильные магнитные поля приводили к исчезновению сверхпроводимости. Лишь в начале 30-х годов были открыты сплавы, на которые магнитные поля не оказывали влияния.

В это время Вальтер Мёйснер и Р. Оксенфельд обнаружили явление «выталкивания» магнитного поля сверхпроводником. Этот интересный факт послужил основой для создания теории сверхпроводимости. Первые успехи в этом направлении принадлежат братьям Фрицу и Гейнцу Лондон.

Как и многие представители немецкой интеллигенции, братья Лондон в годы фашизма эмигрировали из Германии в Англию. В 1935 г., работая в Оксфордском университете, они создали феноменологическую теорию сверхпроводимости, предложив уравнения, описывающие поведение сверхпроводников в слабых магнитных полях.

Но лишь через 20 лет был сделан следующий, решающий шаг. В 1957 г. американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер построили микроскопическую теорию сверхпроводимости[9], где это явление описывалось с точки зрения квантовых представлений.

Еще в 1950 г. английский физик Герберт Фрёлих, также эмигрировавший из Германии в 30-е годы, разработал теорию сверхпроводимости, связав ее с так называемым электронно-фононным взаимодействием. В это же время аналогичные идеи высказывал Дж. Бардин из Иллинойсского университета. Согласно этим представлениям, электроны взаимодействуют между собой через колебания кристаллической решетки. При сверхнизких температурах тепловое движение в веществе практически исчезает, и тогда проявляются слабые колебания атомов, вызываемые электронами. Эти колебания подобны звуковым волнам, но вместе с тем имеют квантовый характер; в связи с этим советский ученый Игорь. Евгеньевич Тамм назвал их в 1930 г. фононами.

Следующий шаг в исследовании явления сверхпроводимости был сделан в 1956 г. Леоном Купером также из Иллинойсского университета. Он установил, что при сильном охлаждении вещества электроны в результате обмена фононами объединяются в пары. Эта сила связи очень слаба, и до Купера никто не предполагал, что она может играть сколько-нибудь существенную роль.

Современная теория сверхпроводимости (известная под названием «БКШ-теория») в ее окончательном виде была опубликована в 1957 г. Бардином, Купером и Шриффером, также сотрудником Иллинойсского университета. Она объясняет данное явление как движение Электронов через кристаллическую решетку; это весьма напоминает процесс, который был предложен в 1940 г. Л.Д. Ландау для объяснения явления сверхтекучести. В БКШ-теории исследуются также электро- и термодинамические свойства сверхпроводников. За выдающийся вклад в понимание столь сложного явления, как сверхпроводимость, три исследователя были удостоены в 1972 г. Нобелевской премии по физике. Для Джона Бардина это была вторая поездка в Стокгольм, так как в 1956 г. он уже получил Нобелевскую премию (вместе с Шокли и Браттейном) за создание первого полупроводникового прибора — транзистора.