Штурм абсолютного нуля - Генрих Бурмин

Вместе с тем керамические материалы отличаются хрупкостью, они чувствительны к изменениям температуры: при резком охлаждении трескаются.

Некоторые специалисты считают, что при усовершенствовании технологии производства керамика сделается одним из основных материалов в технике и промышленности.

К числу восторженных поклонников керамики следует отнести авторов статьи, опубликованной в начале 1987 года в западногерманском научно- популярном журнале «Гео». В этой статье, озаглавленной «Возвращение каменного века», они пишут: «По типу применяемых материалов определенные этапы в истории человечества называются каменным, бронзовым и железным веками. Наше время принято называть атомным веком. Следующая эпоха имеет все основания называться веком керамики».

Многие годы и десятилетия длились поиски высокотемпературных сверхпроводников. А в результате в фавориты вышел не благородный металл, не солидный сплав с двойной «фамилией» и даже не уроженец далекой планеты — металлический водород, а оксидная керамика, получаемая путем спекания порошков окислов металлов.

Давно известно, что большинство окислов являются прекрасными… изоляторами и, казалось, обнаружить в них сверхпроводимость невозможно.

Швейцарский ученый Карл Алекс Мюллер и западногерманский физик Йоган Георг Беднорц, работающие в исследовательской лаборатории цюрихского филиала известной американской фирмы ИБМ, в течение многих месяцев исследовали разные окислы, варьируя их составляющие и изменяя режимы термообработки. Наконец на исходе 1985 года, сплавив в определенной пропорции окислы бария, лантана и меди, они обнаружили, что у полученного соединения при температуре 30—35К резко падает электрическое сопротивление.

«Похоже, что это начало перехода вещества в сверхпроводящее состояние», — подумали ученые.

Однако они не спешили опубликовывать результаты своих экспериментов. Слишком неправдоподобным выглядел такой скачок критической температуры, сразу на 7—12 кельвинов выше прежнего рекорда.

Сообщение о своем открытии они послали в научный журнал лишь в середине апреля 1986 года.

И вот в сентябрьском номере журнала «Zeitschrift fur Physik B» появилась статья под названием: «Возможная сверхпроводимость в системе барий- лантан — медь — кислород».

Многие физики сдержанно отнеслись к этой публикации. И раньше из разных стран поступали сообщения об открытии сверхпроводников с еще большей критической температурой. К сожалению, попытки повторить эти результаты успеха не имели. Один физик предложил специальный термин: «невоспроизводимые сверхпроводники». И теперь никто не хотел попадать впросак.

Мог ли кто предполагать, что пройдут считанные месяцы и критическая температура керамических сверхпроводников возрастет еще на несколько десятков кельвинов, а их первооткрыватели А. Мюллер и Г. Беднорц будут удостоены Нобелевской премии по физике за 1987 год. Это, пожалуй, единственный случай в практике присуждения нобелевских наград, когда открытие получило столь быстрое признание.

А. Мюллер родился в 1927 году в городе Базеле, в Швейцарии. В 1958 году он окончил знаменитую Федеральную высшую политехническую школу в Цюрихе (Цюрихский политехникум). В 1962 году защитил докторскую диссертацию.

Профессор Мюллер — один из ведущих в мире специалистов по физике твердого тела. В фирме ИБМ он работает уже свыше 25 лет, является членом ее научного совета.

Г. Беднорц значительно моложе своего коллеги. Он родился в 1950 году в небольшом западногерманском городе Нойнкирхине. Высшее образование получил в одном из старейших в стране университете города Мюнстера (ФРГ). В 1982 году защитил докторскую диссертацию в Цюрихском политехникуме и был принят на работу в фирму ИБМ.

Область научных интересов Мюллера и Беднорца совпала. Их первая совместная публикация появилась в 1983 году.

Но наиболее выдающихся научных результатов они достигли не в той области, в которой специализировались. В физике сверхпроводимости они были новичками.

Однако следует ли считать их успех делом случая? В науке все взаимосвязано. Подлинные ученые не ограничивают свои интересы какой‑либо узкой областью. К таким разносторонним ученым принадлежит и профессор А. Мюллер.

Оксидные соединения исследовались в разных странах начиная с 60–х годов.

В июньском номере за 1979 год «Журнала неорганической химии» была опубликована статья сотрудников Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова Академии наук СССР И. С. Шаплыгина, Б. Г. Кахана и В. Б. Лазарева.

Авторы исследовали некоторые оксиды, в том числе барий — лантан — медь — кислород. Обратите внимание: это то же самое соединение, о котором шла речь выше. Ученые проверили его на электрическую проводимость вплоть до азотных температур и… остановились. Можно сказать, они держали в руках жар — птицу и… упустили ее.

…Среди ученых, которые с самого начала отнеслись с доверием к сообщению из Швейцарии, был американский физик Пол Чу, возглавляющий небольшую, скромно оснащенную исследовательскую группу в Хьюстонском университете.

Чу не только воспроизвел результаты физиков из Цюриха, но и пошел дальше.

В хьюстонской лаборатории есть установка для испытания материалов под высоким давлением.

Имея в своем распоряжении такую аппаратуру» Чу решил подвергнуть соединение лантан — барий — медь — кисло — род действию высокого давления.

— Словно произошло чудо, — рассказывал Чу, — температура перехода в сверхпроводящее состояние взвилась, словно ракета.

При давлении 10 тысяч атмосфер она возросла до 52 К.

«Давление срабатывает, — подумал Чу, — по — тому, что оно расщепляет молекулярную структуру вещества, а это каким‑то образом поднимает его температуру сверхпроводимости».

Исследователю приходит в голову мысль: «сжать» вещество изнутри, заменив барий стронцием — элементом, схожим с барием, но с меньшей атомной массой.

Опыт увенчался успехом.

Температура сверхпроводящего перехода соединения лантан — стронций — медь — кислород оказалась равной 36К при нормальном атмосферном давлении.

Итак, после многолетних поисков застарелый рекорд 1973 года (23,4К) был превзойден почти на 13 кельвинов.

После такого выдающегося успеха все крупные лаборатории мира, занимающиеся изучением сверхпроводимости, активно включились в поиск и исследование новых металлооксидных сверхпроводников.

В первых главах книги мы рассказали о том, как ученые наперегонки стремились ворваться в область абсолютного нуля температуры.

Теперь перед соревнующимися предстала обратная задача: вырваться подальше из плена гелиевых температур.

И на этот раз, сделав стремительный рывок, вышла вперед группа Чу.

Сначала Чу решил еще сильнее «сжать» исходное вещество, заменив стронций элементом с еще меньшей атомной массой — кальцием.

Но увы! Температура сверхпроводящего перехода упала до 20К.

Казалось, дело зашло в тупик.

Тогда Чу предложил взяться за лантан — редкоземельный компонент соединения.

Мо Куэн Ву, бывший аспирант Чу, возглавляющий часть его группы, которая работала в Ала бамском университете, заменил лантан другим редкоземельным элементом — иттрием.

…Был на исходе январь 1987 года. Мир еще не знал о событиях, происходящих в те дни в стенах университетской лаборатории в городе Ханствилл, на юге США.

Приготовив образец соединения иттрий — барий- медь — кислород, Ву и его коллеги приступили к испытаниям… К их изумлению, электрическое сопротивление образца начало резко падать при неправдоподобно высокой температуре 93К.

«Мы были так возбуждены и так нервничали, — вспоминает Ву, — что руки у нас тряслись. Сначала мы подозревали, что произошла ошибка».

Повторив через несколько дней эксперимент, Чу и Ву добились перехода вещества в сверхпроводящее состояние еще при более высокой температуре: 98К.

Почти одновременно образцы иттрий — бариевой керамики с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100К были получены группой А. И. Головашкина в лаборатории сверхпроводимости Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР, а также в ряде других лабораторий и институтов Советского Союза.

Такие сверхпроводники можно охлаждать жидким азотом (температура его кипения 77К).

Нетрудно представить, насколько проще, дешевле и надежнее сделаются сверхпроводящие устройства, охлаждаемые жидким азотом. Это легкодоступное вещество, извлекаемое почти в буквальном смысле слова из… воздуха. Достаточно сказать, что литр жидкого азота стоит меньше, чем, скажем, литр молока или литр лимонада, а хранить его можно в обычном термосе.