Штурм абсолютного нуля - Генрих Бурмин

На этот раз перед экспериментаторами стояла задача исключительной сложности.

Грузинские ученые создали уникальную установку: модель пульсаров. В ней нейтронная жидкость моделируется сверхтекучим гелием, заполняющим сосуды различной формы. Сосуды подвешены на магнитной подвеске и могут совершать равномерное вращение. По воле экспериментаторов им сообщаются электрическими импульсами толчки, имитирующие различного рода возмущения, например, звездотрясение.

И вот небесное тело «препарируется» на лабораторном столе. Внутри вращающегося сосуда рождаются и исчезают незримые вихревые нити. Перо самописца автоматической электронной измерительной системы бесстрастно регистрирует изменение вращения далекого пульсара.

Разработчики установки отец и сын Дж. С. и С. Дж. Цакадзе вывели математические уравнения, описывающие сложные закономерности поведения модели. Когда в эти уравнения были подставлены значения параметров, характеризующих пульсары, то оказалось, что измерения на модели с достаточно высокой точностью соответствуют данным о пульсарах, известных из радиоастрономических наблюдений.

Проведенные исследования показали, что изменение периода пульсара может происходить двумя путями. Либо сначала ускоряется твердая оболочка пульсара (например, в результате звездотрясения), а затем вовлекается во вращение сверхтекучая жидкость. Либо в результате распада избыточной части вихрей ускоряется сверхтекучая жидкость с последующим ускорением твердой оболочки.

Практически наблюдаются оба типа ускорения.

В начале семидесятых годов радиоастрономы наблюдали «сбой» пульсара «Парус». Многие авторитетные ученые- астрофизики высказали предположение, что следующий скачок скорости этого пульсара должен произойти примерно через двести лет.

— Нет, — возразили тбилисские исследователи. — Очередной «сбой» пульсара «Парус» следует ожидать через два года.

Прогноз грузинских ученых оправдался с точностью до одного месяца!

После открытия сверхпроводимости ученые почти сразу представили, какие практические возможности сулит это явление.

Даже много лет спустя после открытия сверхтекучести считалось, что это явление имеет сугубо теоретический интерес.

Когда стала ясна природа нейтронных звезд, значение сверхтекучести выросло до масштабов Вселенной.

10. Скафандры для сверхпроводников. В плену у гелиевых температур. О лягушке, полимерах и металлическом водороде. Синица в руках или журавль в небе? Двойная сенсация.

Человек, выходя в открытый космос, облачается в скафандр, изолирующий его от внешней среды. Внутри скафандра созданы условия, благоприятные для жизнедеятельности человеческого организма.

Сверхпроводники, о которых шла речь в предыдущих главах, как бы пришли к нам из мира, где царят немыслимо низкие температуры. Чтобы они могли существовать рядом с нами, пришлось создавать привычную для них атмосферу: заключать их в своего рода скафандры — оболочки, внутри которых циркулирует жидкий гелий.

Читатель уже знает, что гелий — газ редкий и дорогой. Конденсация его в жидкое состояние требует немалых затрат. Жидкий гелий быстро нагревается и выкипает, если его тщательно не изолировать в специальной многоступенчатой емкости. Обычно в сверхпроводящих устройствах оболочка с жидким гелием в свою очередь заключается в оболочку, где циркулирует жидкий азот. Это тоже обходится недешево и создает немалые технические трудности.

Применение сверхпроводников, охлаждаемых жидким гелием, экономически и технически оправдано только при решении особо сложных проблем, где обычные средства оказываются бессильными.

Может ли существовать сверхпроводимость если не при комнатной температуре, то хотя бы при температурах, достижимых с помощью жидкого водорода или жидкого азота — веществ гораздо более доступных и менее «привередливых», чем жидкий гелий? Такой вопрос уже давно поставили перед собой ученые.

В науке возникла проблема высокотемпературной сверхпроводимости.

В обыденной жизни высокими температурами считают те, которые выше комнатной. В мире сверхпроводимости высокими считаются температуры даже значительно ниже нуля градусов по Цельсию.

Вполне естественно стремление исследователей получить сверхпроводники с возможно большей критической температурой.

Напоминаем, что первый сверхпроводник — ртуть с критической температурой 4,2К — был открыт в 1911 году. Через два года максимальная критическая температура повысилась на ЗК. Был открыт сверхпроводящий свинец с критической температурой 7,2К. А чтобы повысить максимальную критическую температуру еще на 2К, понадобилось 17 лет. В 1930 году был открыт сверхпроводящий ниобий с критической температурой 9,2К.

Относительно большого повышения максимальной критической температуры удалось добиться в 50–х годах с появлением сверхпроводящих сплавов. А в 1973 году промелькнула надежда освободиться из плена гелиевых температур, то есть температур, достижимых с помощью жидкого гелия. Был получен сверхпроводящий сплав ниобий — германий с критической температурой 23,4К.

Температура кипения водорода 20,4К. Значит, принципиально возможно охладить сплав ниобий- германий с помощью жидкого водорода. Но работать со сверхпроводниками в области температур, близких к критическим, невыгодно, а подчас невозможно из‑за снижения критического магнитного поля и критического тока. Ведь при критической температуре критическое магнитное поле и критический ток равны нулю и увеличиваются по мере отхода от критической в сторону более низких температур.

Установленный в 1973 году рекорд критической температуры 23,4 К в течение долгих лет оставался непревзойденным. У некоторых физиков этот период получил название «смутного времени сверхпроводимости».

В чем причина такого застоя?

Теоретические расчеты показывают, что сверхпроводимость, возникающая благодаря межэлектронному притяжению в результате взаимодействия электронов с кристаллической решеткой металла, принципиально осуществима при критической температуре до 25–30 К.

В то время исследователи уже приблизились к этому пределу, и надо было изыскивать другие возможности повышения критической температуры.

«А может быть, стоит опять прибегнуть к помощи… лягушки?» — подумали ученые.

Ведь, препарируя лягушку, итальянский профессор Луиджи Гальвани пришел к мысли о существовании животного электричества.

Можно без преувеличения сказать: именно с опытов Гальвани началась история современной электротехники.

Вот что сказал по этому поводу во вступительном слове на X Международной конференции по физике низких температур академик П. Л. Капица:

«Мы не должны забывать, что в природе, в частности в живых организмах, металл не используется для передачи электрических импульсов. Наши нервы, по которым проходят электрические импульсы, имеют не металлические свойства, и значит, что в природе существует механизм, который может передавать электрический импульс по среде, имеющей полимерную структуру».

Теоретическая разработка проблемы высокотемпературной сверхпроводимости началась в 1964 году с появлением работ американского физика

В. Литтла и крупного советского физика академика Виталия Лазаревича Гинзбурга.

Теоретическая модель Литтла основана на использовании полимеров. Напомним, что полимеры — это вещества, состоящие из макромолекул, то есть молекул, содержащих большое количество (вплоть до десятков и тысяч) валентно связанных атомов.

Эта модель представляет собой полимер с главной осью, вдоль которой перемещаются электроны проводимости. От главной оси отходят боковые ветви, причем содержащиеся в них электроны способны совершать колебательные движения.

Электрон проводимости посредством кулоновских сил вызывает смещение электронов в боковой ветви. В результате этого смещения в боковой ветви происходит поляризация, и на ближайшем к глазной оси конце боковой ветви наводится положительный заряд. Этот заряд притягивает к себе другой электрон главной оси.

Получается картина, схожая с той, которую мы наблюдаем при сверхпроводимости в обычном проводнике. Но роль кристаллической решетки теперь играют боковые ветви полимера.

Электроны на боковых ветвях могут быть более подвижными, чем ионы кристаллической решетки, и притяжение, которое они создают между электронами на главной оси полимера, проявляется сильней, чем в обычном сверхпроводнике. По идее это должно было бы привести к высокотемпературной сверхпроводимости.

Хотя сейчас уже открыты полимерные сверхпроводники, их критическая температура очень мала.