В 1987 об этом говорили даже в ночных клубах Нью-Йорка. Слухи о новом изобретении физиков ходили месяцами. Газеты, журналы и утренние ток-шоу пестрили репортажами из лабораторий. Казалось, что чудесная эра левитирующих поездов вот-вот наступит. Вечером 18 марта 1987 года более чем 1800 членов Aмериканского физического общества собрались в зале отеля Хилтон, еще более 2000 осталось снаружи, ожидая начала конференции "Woodstock of physics", посвященной явлению высокотемпературной сверхпроводимости. Высокотемпературная сверхпроводимость - понятие довольно относительное. До 1986 года наблюдать сверхпроводимость при температурах выше 23 К возможным не представлялось. Максимальная критическая температура наблюдалась у сплава Nb3Ge (Т=23К). Считалось, что это фундаментальный предел, перешагнуть который мы не в силе.
Однако в июне 1986 года физики Георг Беднорц (Georg Bednorz) и Алекс Мюллер (Alex Muеller) из лаборатории IBM в Цюрихе (Швейцария) получают удивительный результат - в керамическом соединении La-Ba-Cu-O обнаружена сверхпроводимость при температуре 35 К - выше "фундаментальной" критической. Вскоре эстафета была перехвачена в США. Через полгода из университета Хьюстон приходит новость о сверхпроводимости в соединении Y-Ba-Cu-O уже при 93 К (Yttrium barium copper oxide, YBa2Cu3O7), синтезированном американско-китайским физиком Полом Чу (Paul Chu). Что больше всего удивляло физиков, так это тот факт, что сверхпроводимость была обнаружена в керамическом соединении, обычно проявляющем диэлектрические или полупроводниковые свойства. В настоящее время рекордным значеним критической температуры Tc =135 K (под давлением Tc=165 K) обладает вещество HgBa2Ca2Cu3O8+x, открытое в 1993 г. С. Н. Путилиным и Е. В. Антиповым (Химический факультет МГУ).
Сверхпроводимость при 35 К, а затем и 93 К. Эта новость стала громкой сенсацией и вызывала неподдельный интерес. Теперь для охлаждения до температуры в 93 К вполне подходил более дешевый жидкий азот, а не гелий, что означало удешевление технологии. Но это было не главным, что так взбудоражило присутствующих. Подогреваемая любопытством, аудитория гудела: если существует сверхпроводимость при 93 К, то почему бы ей не существовать и при комнатной температуре, ведь тогда верхпроводники наконец-то можно будет использовать для передачи электроэнергии... И ученым пришлось пересмотреть свои представления о механизмах проводимости при низких температурах, однако сделать это оказалось совсем непросто. До сих пор нет последовательной теории высокотемпературной сверхпроводимости, а существующие модели до конца не объясняют всех особенностей этого явления.
Для того, чтобы разобраться в явлении обычной сверхпроводимости, открытой 100 лет тому назал в лаборатории Камерлинга Оннеса в 1911 году, понадобилось более чем 50 лет. Ученые не могли понять: почему с понижением температуры до некоторой критической величины сопротивление металла падает до нуля, хотя теория металлов предсказывала, что при абсолютном нуле проводимость должна отсутствовать. В 1957 году на помощь приходит теория БКШ (Бардина-Купера-Шриффера), по сути своей основанная на законах квантовой механики. В ее основе лежит представление о сверхтекучести куперовских пар - связанных пар электронов с противоположными спинами и импульсами, которые при определенной температуре могут совершенно свободно перемещаться по кристаллической решетке металла. Вот одно из более наглядных объяснений причин образования куперовских пар. При перемещении электрона в кристаллической решетке он отдает часть своего импульса расположенным вблизи положительныи ионам. Ионы смещаются вдоль траектории электрона и в течение некоторого времени возвращаются в свое первоначальное положение. Таким образом, позади движущегося электрона наблюдается область избыточного положительного заряда, которая является центром притяжения другого электрона с противоположным импульсом. Когда второй электрон попадает в образовавшуюся потенциальную яму, между парой электронов возникает притяжение (возникает куперовская пара). Это взаимодействие происходит только между электронами, расположенными вблизи уровня Ферми, находящимися в S-состоянии. При низких температурах число таких пар очень велико. Происходит перекрытие квантовомеханических волновых функций и совокупность куперовских пар представляет собой уже конденсат. Электронные пары имеют целочисленный спин и подчиняются статистике Бозе, а неидеальный бозе-газ (между частицами которого существует отталкивание, а в нашем случае оно существует) при низких температурах обладает свойством сверхтекучести. Так как пары заряжены, их сверхтекучее движение соответствует появлению сверхпроводимости.
Большинство ученых считает, что фононная модель взаимодействия (БКШ теория) в случае высокотемпературной сверхпроводимости все же неприменима. При более высоких температурах энергия тепловых колебаний превышает энергию связи куперовской пары. Существует и "рафинированный" механизм фононной теории - теория биполяронов. Здесь в качестве носителей заряда рассматриваются поляроны (электрон и фононное "облако"). Однако большая эффективная масса поляронов ставит под вопрос возможность существования сверхпроводимости при высоких температурах. Другое направление теории высокотемпературной сверхпроводимости связано с магнитными свойствами вещества. Например, спаривание электронов из-за нарушения спинового порядка. Однако полного понимания механизма высокотемпературной сверхпроводимости еще нет. Сейчас уже никто не отрицает, что для создания полной теории нужно время. Иногда бывает так, что непонятно, что именно нуждается в объяснении. 15 лет тому назад, например, было открыто, что в допированных положительно купратах электронные пары формируются в диапазоне температур выше критической. В этом состоянии в материале образуются области со сверхпроводимостью. Некоторые считают, что это состояние материала является как бы прекурсором для обычной сверхпроводимости, наблюдаемой во всем образце ниже критической температуры. Другие - резко отрицают это. Но кто прав покажет время. В любом случае, в споре рождается истина.
По материалам Nature.
>