Ginzburg_Andryushin_Sverkhprovodimost
.pdf
Виталий Лазаревич ГИНЗБУРГ, Евгений Александрович АНДРЮШИН
Сверхпроводимость
Альфа-М, 2006 г. Серия: Библиотека СОИ
Страниц: 112, твердый переплет, 145х215 ISBN: 5-98281-088-6. Тираж: 3000.
Издание: 2-е издание, переработанное и дополненное
Явление сверхпроводимости — одно из самых сложных в физике твердого тела. В книге рассматриваются необычные свойства металлов при низких температурах, приводятся примеры их использования в технике и сведения о современных открытиях в физике.
Для учащихся старших классов и всех интересующихся.
См. также статью В. Л. Гинзбурга «Нанотехнологии и сверхпроводимость».
К читателю
Благодарим Евгения Александровича Андрюшина и издательство «Альфа-М» за содействие в публикации этой замечательной книги на «Элементах».
Как бы мне хотелось передать Вам, уважаемый читатель, свой интерес к тому, как устроен мир! Я вообще считаю себя счастливым человеком — всю жизнь занимался тем, что считал важным и интересным — наукой, физикой. Уже несколько раз рассказывал на встречах с молодыми людьми, как это получилось. Слушали меня всегда с интересом.
Мои школьные годы пришлись на самый, видимо, неудачный период советского среднего образования. От старой школы (гимназий и т. п.) остались здания и отдельные преподаватели. А в остальном царил хаос. В 1931 году, когда я кончил семилетку, на ней всё и обрывалось, девятилетки были упразднены, дальше полагалось идти в фабрично-заводские училища.
Интерес к физике появился уже тогда, и твердо, хотя я и не знаю почему. Очень мне нравилась научнопопулярная книга О. Д. Хвольсона «Физика наших дней».
Устроился на работу сначала препаратором, затем лаборантом в лабораторию одного института.
В 1933 году был первый «свободный» (т.е. по конкурсу, а не по путевкам) набор на физфак МГУ. Три месяца усиленно готовился с учителями и только так прошел курс за 8-й, 9-й и 10-й классы. Поступил со второго раза, но сразу на второй курс после года заочного. В общем, формально я подготовился, но я убежден, что отсутствие хорошей, нормальной школы самым отрицательным образом сказалось на мне. Если хороший школьник решает 1000 задач по тригонометрии, 1000 задач по логарифмированию, вырабатывает определенный автоматизм, то у меня за плечами было всего 10 или 100 задач, мне это потом мешало. Вспоминаю в этой связи разговор с известным физиком Г. С. Гореликом. Он очень хорошо писал и на мой вопрос: «Почему вы так хорошо пишете?» — ответил вопросом: «Сколько раз в неделю вы писали в школе сочинения?» Я ответил, что раз в две недели, точно не помню. На это Г. С. мне заметил, что он учился в Швейцарии и сочинения писал каждый день.
После окончания физфака в 1938 году меня рекомендовали в аспирантуру, однако раньше аспирантура давала отсрочку от призыва в армию, а тогда уже возникли трудности. В конце концов я оказался одним из последних, кому такую отсрочку дали. А в сентябре 1938 года, когда вопрос о призыве еще висел в воздухе, заниматься рутинной экспериментальной работой, сидеть в темной комнате и гонять насос, естественно, не хотелось и было ни к чему. Вот я и стал пытаться объяснить возможность того эффекта асимметрии, которым занимался (мой диплом был посвящен различию интенсивности излучения каналовых лучей вдоль луча и в противоположном направлении). И пришла такая мысль. Если разложить поле налетающего иона на плоские волны, то эти волны могли бы, казалось, играть ту же роль, что и световые волны, а значит, вызывать индуцированное испускание. Поэтому в направлении движения налетающего иона возбужденный атом за счет индуцированного излучения должен излучать больше, чем в противоположном направлении. Не буду объяснять подробнее.
С этой идеей я подошел к И. Е. Тамму, кажется, 13 сентября — он работал в ФИАНе и читал у нас на физфаке лекции. Мне удалось изложить ему свою идею, и с этого для меня началась новая жизнь. Сама идея оказалась неверной, зато Игорь Евгеньевич поддержал меня, позволил поверить в свои силы.
Считаю, что мне повезло — я потом ушел работать в ФИАН, а не остался на физфаке, где меня считали учеником «реакционных» профессоров. Повезло, что после войны привлекли к работе над атомной бомбой, только потому избежал зачисления в космополиты. Повезло, что всю жизнь занимался интереснейшей работой — исследованиями в области физики. Далеко не всем даже талантливым людям это удалось — кто сгинул в лагерях, кто погиб во время войны, кто просто не вписался в советскую действительность. На фоне истории нашей страны в XX столетии моя собственная история выглядит как весьма удачная. Это везение сыграло немалую роль в том, что я стал физиком теоретиком, причем довольно известным и преуспевающим. Под последним я имею в виду не то, что я стал членом корреспондентом (1953), потом академиком (1966), лауреатом (Ленинской и Государственной премии) и т.п. Всё это достаточно условно, иногда даже полные ничтожества добиваются формально многого. А вот научные результаты — другое дело, это нечто объективное. И здесь я считаю, что получил ряд важных и довольно высокого класса результатов: в области сверхпроводимости, сверхтекучести, сегнетоэлектричества, эффекта Вавилова— Черенкова и
переходного излучения, радиоастрономии, происхождения космических лучей, рассеяния света. Полагаю, что и Нобелевская премия (2003) это отражает, хотя она присуждена за исследования в области именно сверхпроводимости. Я вообще считаю, что, с историей присуждения Нобелевских премий стоит познакомиться всем, кто интересуется историей получения и признания научных результатов (значение этого события не следует, однако, переоценивать). Рассчитываю, что в серии книг Фонда удастся издать много материалов на эту тему.
Я очень рекомендую всем, кто собирается избрать науку сферой своей деятельности, всячески расширять свой кругозор и не замыкаться в узкой специальности. Именно с этой целью Фонд «Успехи физики» и затеял издание и распространение книг с условным названием «Библиотека СОИ» (Стратегическая образовательная инициатива).
И остается только пожелать читателям книг нашей библиотеки всяческих благ и успехов.
Искренне Ваш
В. Л. Гинзбург
Предисловие
В этой книжке рассказывается, в чем заключается физическое явление сверхпроводимости, как оно было открыто, каковы основные свойства сверхпроводников, где они применяются и где, по всей вероятности, будут широко использоваться в будущем.
Но это повествование еще и история успеха интеллектуальных усилий исследователей, которые последовательно всё более полно и подробно раскрывают картину происходящего и позволяют основывать на этом инженерные достижения.
Эти успехи получили самое широкое общественное признание. Вот лишь один из признаков такого успеха: многие из упомянутых дальше в книжке исследователей удостоены Нобелевских премий по физике. Приведем их список в хронологическом порядке:
Хайке Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 году «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к получению жидкого гелия».
Лев Давидович Ландау был удостоен Нобелевской премии по физике в 1962 году «за пионерские теории конденсированной материи, в особенности жидкого гелия».
Джон Бардин, Леон Н. Купер, Дж. Роберт Шрифферразделили в 1972 году Нобелевскую премию по физике «за создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ теорией».
Брайан Д. Джозефсон был удостоен Нобелевской премии по физике в 1973 году «за теоретические предсказания свойств сверхпроводящего тока, проходящего через туннельный барьер, в частности явлений, общеизвестных ныне под названием эффектов Джозефсона» (Б. Джозефсон получил половину премии, вторую половину за другую работу получили Лео Эсаки и Айвар Джайевер1).
Петр Леонидович Капица был удостоен Нобелевской премии по физике в 1978 году «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур» (вторая половина премии была присуждена за другую работу Арно А. Пензиасу и Роберту В. Вильсону).
Георг Беднорц и Алекс Мюллер получили Нобелевскую премию по физике в 1987 году «за важный прорыв в открытии сверхпроводимости в керамических материалах».
Алексей Алексеевич Абрикосов, Виталий Лазаревич Гинзбург и Энтони Легетт получили Нобелевскую премию по физике за 2003 году «за пионерский вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей».
Этот ряд достижений явно не закончен. Явление сверхпроводимости носит фундаментальный характер и во многом еще недостаточно исследовано.
Мы надеемся, что наша книжка окажется самой простой из всех популярных книг, посвященных сверхпроводимости. Одновременно, возможно, она будет наименее подробной и наименее точной. К тому же, как говорил Козьма Прутков, «нельзя объять необъятное». Читателю не стоит удивляться,
если в более полных книгах он встретит утверждения, сформулированные точнее, чем в нашем тексте. Мы не везде оговорили необходимость такого уточнения, чтобы не загромождать текст примечаниями и отступлениями.
Первое издание книжки было опубликовано в Москве в 1989 году, настоящее издание переработано и дополнено.
Авторы выражают благодарность за предоставленную информацию А. И. Головашкину и Е. И. Демихову, а также рецензенту А. П. Силину за полезные замечания.
1 По уставу Нобелевских премий, за данный год премия может быть присуждена не более чем трем лицам. Однако разрешается поделить, по сути дела, премию пополам. При этом две отмеченные премией работы могут быть совершенно не связаны друг с другом.
Глава 1. Открытие сверхпроводимости
Начало
|
В 1911 году голландский физик Х. Камерлинг- |
||
|
Оннес открыл явление сверхпроводимости. Он |
||
|
проводил измерения электрического |
||
|
сопротивления ртути при низких температурах. |
||
|
Оннес хотел выяснить, сколь малым может |
||
|
стать сопротивление вещества электрическому |
||
|
току, если максимально очистить вещество от |
||
|
примесей и максимально снизить «тепловой |
||
|
шум», т.е. уменьшить температуру. |
||
|
Результат этого исследования оказался |
||
|
неожиданным: при температуре ниже |
||
|
4,15 К1 сопротивление почти мгновенно |
||
|
исчезло. График такого поведения |
||
|
сопротивления в зависимости от температуры |
||
|
приведен на рис. 1. |
||
|
Электрический ток — это движение |
||
|
заряженных частиц. Уже в то время было |
||
Рис. 1. Рисунок скопирован с одной из первых работ |
известно, что электрический ток в твердых |
||
телах — |
это поток электронов. Они заряжены |
||
Оннеса, посвященной сверхпроводимости. По |
|||
отрицательно и намного легче, чем атомы, из |
|||
современным данным, график надо сдвинуть на |
|||
которых состоит всякое вещество. |
|||
0,05 К – у Оннеса была неточная шкала температур |
|||
|
|
||
Каждый атом в свою очередь состоит из положительно заряженного ядра и электронов, взаимодействующих с ним и между собой по закону Кулона. Каждый атомный электрон занимает определенную «орбиту». Чем ближе «орбита» к ядру, тем сильнее электрон притягивается к нему, тем большая энергия требуется, чтобы оторвать такой электрон от ядра. Наоборот, самые внешние от ядра электроны наиболее легко отрываются от него, хотя и для этого нужно затратить энергию.
Внешние электроны называются валентными. В веществах, именуемых металлами, они действительно отрываются от атомов, когда те объединяются в твердое тело, и образуют газ почти свободных электронов. Это простая, красивая и часто оказывающаяся правильной физическая картина: кусок вещества представляет собой как бы сосуд, в котором находится «газ» электронов (рис. 2).
Если мы создали электрическое поле — приложили к исследуемому кусочку вещества напряжение, в электронном газе возникнет ветер как бы под действием разности давлений. Этот ветер и есть электрический ток.
Металлы
Рис. 2. Газ электронов. Кружки со стрелками символизируют хаотическое движение частиц
Отнюдь не все вещества хорошо проводят электрический ток. В диэлектриках валентные электроны остаются «привязанными» к своим атомам и не так-то просто заставить их двигаться через весь образец.
Довольно сложно объяснить, почему одни вещества оказываются металлами, а другие — диэлектриками. Это зависит от того, из каких атомов они составлены и как эти атомы расположены.
Иногда возможны превращения, когда расположение атомов меняется, например, под действием давления атомы сближаются и диэлектрик становится металлом.
Через диэлектрики ток не течет, но и в металлах электроны движутся не вполне свободно. Они наталкиваются на атомные «остовы», от которых «оторвались», и рассеиваются на них. При этом возникает трение или, как говорят, электрический ток испытывает сопротивление2.
При сверхпроводимости сопротивление исчезает, становится равным нулю, т.е. движение электронов происходит без трения. Между тем опыт нашей повседневной жизни показывает, казалось бы, что такое движение невозможно.
На разрешение этого противоречия были направлены работы физиков на протяжении десятков лет.
Открытое свойство настолько необычно, что металлы, обладающие сопротивлением, в противоположность сверхпроводникам называются нормальными.
Сопротивление
Электрическое сопротивление куска металла (например, проволоки) измеряется в омах и определяется размерами и материалом образца. В формуле
R = ρ × l / S
R — сопротивление, l — длина (размер образца в том направлении, в котором течет ток), S — поперечное сечение образца. Написав такую формулу, мы как бы продолжаем сравнивать электроны с газом: чем шире и короче труба, тем легче продуть через нее газ.
Величина ρ — удельное сопротивление, характеризующее свойства материала, из которого выполнен образец.
У чистой меди при комнатной температуре ρ = 1,75·10–6 Ом·см.
Медь — один из наиболее хорошо проводящих ток металлов, она очень широко используется для изготовления электрических проводов. Некоторые другие металлы при комнатной температуре проводят электрический ток хуже:
Для сравнения приведем удельные сопротивления некоторых диэлектриков, тоже при комнатной температуре:
При понижении температуры T удельное сопротивление меди постепенно понижается и при температуре несколько кельвинов составляет 10–9 Ом·см, но сверхпроводником медь не становится. А алюминий, свинец, ртуть переходят в сверхпроводящее состояние, и проведенные с ними опыты
показывают, что удельное сопротивление сверхпроводника во всяком случае не превышает 10– 23 Ом·см — в сто триллионов раз меньше, чем у меди!
Остаточное сопротивление |
|
|
Удельное сопротивление металла зависит от |
|
|
температуры. Условный график ρ(T), скажем, |
|
|
для меди, вы видите на рис. 3. Чем выше |
|
|
температура, тем больше сопротивление, тем |
|
|
сильнее колеблются составляющие металл |
|
|
атомные «остовы» и тем большую помеху они |
|
|
представляют для электрического тока. Если, |
|
|
наоборот, приближать температуру к |
|
|
абсолютному нулю, сопротивление образца |
|
|
будет «стремиться» к ρ0 — остаточному |
|
|
сопротивлению. Остаточное сопротивление |
Рис. 3. Зависимость удельного сопротивления, |
|
зависит от совершенства и состава образца. |
||
металла (меди) от температуры |
||
В любом веществе встречаются посторонние |
||
атомы-примеси, а также всевозможные другие |
|
|
дефекты. Чем меньше в образце дефектов, тем |
|
|
меньше остаточное сопротивление. Именно |
|
эта зависимость интересовала Оннеса в 1911 году. Он вовсе не искал «сверхпроводимость», а пытался выяснить, сколь малым можно сделать остаточное сопротивление, очищая образец. Он проводил опыты с ртутью, потому что в то время ртуть можно было довести до большей степени чистоты3, чем платину, золото или медь (эти металлы являются лучшими проводниками, чем ртуть, и Оннес изучал их перед открытием сверхпроводимости. Ни золото, ни платина, ни медь не «сверхпроводят»).
Критическая температура
Сверхпроводимость возникает скачком при понижении температуры. Температура Tc, при достижении которой происходит скачок, называется критической. Внимательное исследование показывает, что такой переход наблюдается в некотором интервале температур (рис. 4). Трение движущихся электронов исчезает независимо от «чистоты» образца, но чем образец «чище», тем резче скачок сопротивления, его ширина в самых «чистых» образцах меньше сотой доли градуса. В этом случае говорят о «хороших» образцах или сверхпроводниках; в «плохих» образцах ширина перехода может достигать десятков градусов. (Это, конечно, относится к так называемым высокотемпературным сверхпроводникам, у которых Tc достигает сотен кельвинов.)
Рис. 4. Вид « сверхпроводящего перехода». Зависимость сопротивления от температуры для образца 1(более « чистого») и 2 (более « грязного»). Критическая температура Tc обозначает середину
перехода, когда сопротивление падает наполовину по сравнению с нормальным состоянием. Начало падения — Tc0, конец — Tce
Критическая температура своя для каждого вещества. Эта температура и год обнаружения сверхпроводимости (точнее, год опубликования статьи об этом) указаны на рис. 5 для нескольких чистых элементов. У ниобия самая высокая (при атмосферном давлении) критическая температура из всех элементов Периодической таблицы Д. И. Менделеева, хотя и она не превышает 10 К.
Рис. 5. Металлы, их температура сверхпроводящего перехода, Tc, К, год опубликования обнаружения сверхпроводимости
Еще Оннес не только обнаружил сверхпроводимость ртути, олова и свинца, но и нашел первые сверхпроводящие сплавы — сплавы ртути с золотом и оловом. С тех пор эта работа продолжалась, «на сверхпроводимость» проверялись всё новые соединения и постепенно класс сверхпроводников расширялся.
Низкие температуры
Исследование сверхпроводимости шло очень медленно. Для наблюдения явления нужно было охлаждать металлы до низких температур, а это не так просто. Образец должен охлаждаться постоянно, для чего его помещают в охлаждающую жидкость. Все жидкости, известные нам из повседневного опыта, при низких температурах замерзают, отвердевают. Поэтому необходимо ожижить вещества, которые при комнатных условиях являются газами. На рис. 6 указаны температуры кипения Tb и плавления Tm пяти веществ (при атмосферном давлении).
Рис. 6. Температуры кипения Tb, К, и плавления Tm, К
Если понижать температуру ниже Tb, вещество ожижается, а ниже Tm оно отвердевает. (Гелий при атмосферном давлении остается жидким вплоть до абсолютного нуля температур.) Так что для наших целей какое-либо из указанных веществ можно использовать в промежутке между Tb и Tm.
До 1986 года максимальная известная критическая температура сверхпроводимости едва превышала 20 К, поэтому при исследовании сверхпроводимости нельзя было обойтись без жидкого гелия.
В качестве охладителя также широко применяется азот. Азот и гелий используются на последовательных ступенях охлаждения. Оба эти вещества нейтральны и безопасны.
Ожижение гелия — сама по себе интереснейшая и увлекательная проблема, решением которой занимались многие физики на рубеже XIX–XX вв. Цели достиг Оннес в 1908 году. Специально для этого он создал лабораторию в Лейдене (Нидерланды). В течение 15 лет лаборатория обладала монополией на уникальные исследования в новой области температур. В 1923–1925 гг. жидкий гелий научились получать еще в двух лабораториях мира — в Торонто и в Берлине. В Советском Союзе такое оборудование появилось в начале 1930-х гг. в Харьковском физико-техническом институте.
После Второй мировой войны постепенно во многих странах развивалась целая отрасль промышленности по обеспечению лабораторий жидким гелием. До этого всё находилось на «самообслуживании». Технические затруднения и физическая сложность явления приводили к тому, что знания о сверхпроводимости накапливались очень медленно. Только через 22 года после первого открытия было обнаружено второе фундаментальное свойство сверхпроводников.
Эффект Мейснера
О его наблюдении сообщили немецкие физики В. Мейснер и Р. Оксенфельд в 1933 году.
До сих пор мы называли сверхпроводимостью исчезновение электрического сопротивления. Однако сверхпроводимость — нечто более сложное, чем просто отсутствие сопротивления. Это еще и определенная реакция на внешнее магнитное поле. Эффект Мейснера заключается в том, что постоянное не слишком сильное магнитное поле выталкивается из сверхпроводящего образца. В толще сверхпроводника магнитное поле ослабляется до нуля, сверхпроводимость и магнетизм можно назвать как бы противоположными свойствами.
При поиске новых сверхпроводников проверяются оба главных свойства сверхпроводимости: