Штурм абсолютного нуля - Бурмин Генрих Самойлович - Страница 20

Прошло всего несколько лет после открытия изотопического эффекта, и в 1957 году американские исследователи Дж. Бардин, Л. Н. Купер и Дж. Р. Шриффер (этот триумвират принято сокращенно называть БКШ — по первым буквам их фамилий) и советский ученый Николай Николаевич Боголюбов создали теорию, объясняющую явления, происходящие в мире сверхпроводимости.

На «живом серебре» (такое образное название носит ртуть на украинском и немецком языках) была впервые открыта сверхпроводимость. Именно на ртути был обнаружен изотопический эффект, создавший важную предпосылку для разработки современной теории сверхпроводимости.

На страницах этой книги мы лишены возможности пользоваться сложными математическими уравнениями, описывающими законы квантовой механики. Поэтому дается лишь упрощенное представление о природе сверхпроводимости.

В обычном проводнике каждый электрон ведет себя как индивидуалист. Между электронами проводимости отсутствует, образно говоря, чувство локтя. Более того, по закону Кулона электрон отталкивает соседа.

В сверхпроводниках происходит объединение электронов в пары. Участники таких пар притягиваются друг к другу.

У читателя, твердо усвоившего из элементарного курса физики, что между электронами существуют кулоновские силы отталкивания, это последнее утверждение не может не вызвать недоумения.

Но возможность электронов при определенных услових притягиваться друг к другу не противоречит законам физики.

Свободный электрон, двигаясь через кристаллическую решетку, притягивает к себе положительные ионы металла, вызывая тем самым деформацию решетки. Это приводит к появлению в решетке области избыточного положительного заряда, образующейся благодаря высокой плотности ионов там, где решетка деформировалась.

Второй электрон притягивается избытком положительного заряда и тем самым косвенно взаимодействует с первым электроном (то есть притягивается к нему).

При достаточно низких температурах у ряда металлов такое притяжение преобладает над кулоновским отталкиванием. Тогда электроны могут объединяться попарно.

Такие пары электронов получили название куперовских пар, по имени Л. Купера, одного из создателей теории сверхпроводимости.

Невидимка находит напарника. I — жидкий гелий. А — в обычном проводнике электроны перемещаются в одиночку, каждый из них отталкивает соседа. Б — в сверхпроводнике электроны объединяются в пары. Строй куперовских пар свободно перемещается по кристаллу. Электрическое сопротивление равно нулю.

Казалось, электрону легче всего выбрать себе напарника из ближайших соседей. Но это не так. Напарник электрона должен находиться от него на относительно большом расстоянии, с тем чтобы ку- лоновская сила отталкивания была достаточно мала.

Электроны куперовской пары находятся друг от друга на расстоянии один микрометр. В обыденной жизни это, разумеется, мизерная величина. Но не забывайте, что мы с вами сейчас находимся в микромире, где счет идет на доли нанометра.

Электрон должен «чувствовать» своего напарника, находящегося от него на расстоянии, в десятки тысяч раз превышающем расстояние до его ближайшего соседа.

Если мы мысленно построим шар радиусом в один микрометр, в центре которого один из электронов куперовской пары, то его партнер должен находиться где?то на поверхности шара. Между тем внутри этого шара находятся мириады электронов.

Каким?то удивительным для нас, жителей макромира, способом электрон в таких условиях выбирает себе напарника. И не ошибается в своем выборе! Расчеты показывают, что образование сформированных таким образом куперозских пар энергетически наиболее выгодно.

Спаривание двух электронов возникает только тогда, когда большое число других электронов находится в этом же состоянии.

Такой коллектив электронов в кристалле можно уподобить строю солдат, совершающих марш по местности, пересеченной завалами и рытвинами. Здесь каждый подстраховывает своего товарища, не давая ему оступиться или попасть в яму.

Точно так же «строй» куперовских пар легко «марширует» по сверхпроводнику. Электрическое сопротивление исчезает.

Однако с ростом температуры интенсивность тепловых колебаний увеличивается, и при температуре выше критической куперовские пары распадаются. Сверхпроводник превращается в обычный проводник.

В сверхпроводнике, при температуре отличной от абсолютного нуля, не все электроны объединяются в куперовские пары. Наряду со спаренными электронами там имеются и обычные электроны, которые могут рассеиваться и испытывать сопротивление так же, как электроны проводимости в нормальном кристалле.

Количество куперовских пар уменьшается при повышении температуры и приближении ее к критической. Наоборот, при абсолютном нуле все электроны должны образовать пары.

Из рассказанного в предыдущей главе читатель уже знает, что электроны проводимости в металле ведут себя как Ферми — жидкость.

Электронная жидкость движется под действием электрического поля в кристаллической решетке, как обычная жидкость по трубопроводу под действием перепада давления. Взаимодействуя с кристаллической решеткой и всевозможными примесями, электроны рассеиваются, испытывая сопротивление движению.

«Трение» электронной жидкости о кристалл, то есть ее «вязкость», мы наблюдаем как сопротивление электрическому току.

Исчезновение сопротивления в сверхпроводнике можно трактовать как исчезновение вязкости элек тронной жидкости. Таким образом, сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронной жидкости. Сверхпроводимость, как мы уже знаем, осуществляется благодаря спариванию электронов. Иными словами, в момент перехода в сверхпроводящее состояние Ферми — жидкость переходит в Бозе — жидкость.

Так как при переходе в сверхпроводящее состояние не все электроны спариваются, мы можем представить себе сверхпроводник как бы пропитанным двумя электронными жидкостями. Одна из них, состоящая из нормальных электронов, обладает свойством обычной жидкости, другая, состоящая из куперовских пар, — сверхтекуча.

В сверхпроводнике ток может переноситься как нормальными, так и спаренными электронами.

Постоянный ток весь переносится куперовскими парами. В этом случае сверхпроводящий металл подобен двум параллельным проводникам: один из которых с нормальным сопротивлением, другой с сопротивлением равным нулю; причем проводник с нулевым сопротивлением шунтирует проводник с нормальным сопротивлением, а следовательно, общее сопротивление равно нулю.

Если ток переменный, то часть тока в сверхпроводнике может переноситься нормальными электронами. Однако при относительно небольших частотах эта часть невелика.

Читателя, наверное, интересует судьба и другой Ферми — жидкости — гелия 3.

После того как стал ясным механизм спаривания электронов в металле, напрашивалась мысль, что похожий процесс может произойти и в гелии 3.

Расчеты показали, что при достаточно сильном охлаждении здесь неминуемо должны спариваться атомы гелия.

Штурм абсолютного нуля продолжался.

Наконец в 1972 году при температуре 0,00265К гелий 3 был получен в сверхпроводящем состоянии.

Завершая рассказ о гелии 3, уместно остановиться еще на одном интересном свойстве этой квантовой жидкости.

Оказывается, гелий 3 сохраняет конечную растворимость (около 6 %) в жидком гелии 4 вплоть до абсолютного нуля температуры.

Возникла идея использовать это свойство для того, чтобы заставить гелий 3 и гелий 4 «работать» совместно.

Действительно, при соприкосновении почти чистого жидкого гелия 3 с разбавленным раствором гелия 3 в гелии 4 атомы гелия 3 должны перейти в раствор. При этом поглощается теплота растворения, и температура раствора понижается.

Растворение осуществляется в одной части прибора — в камере растворения, а удаление атомов гелия 3 из раствора путем откачки в камере испарения.