Проклятые вопросы - Ирина Радунская

Через два года экспериментаторы обнаружили зависимость температуры перехода к сверхпроводимости от массы атомов металла. При этом они сравнивали два образца металла, содержащие различные изотопы. Это доказывало справедливость идеи Фрелиха.

Перед учёными встала задача расшифровки уравнения Фрелиха, которое обещало прояснить картину сверхпроводимости. Над этой задачей работали многие.

Важную физическую идею о природе математических трудностей уравнения Фрелиха высказали австралийские учёные. Потом в эту работу включилась группа американских учёных, но…

Задача Фрелиха оказалась и им не по зубам.

Это несколько напоминает историю со знаменитой тринадцатой задачей Давида Гильберта. Известный немецкий математик решил много задач, считавшихся неразрешимыми, но свою собственную, под таким несчастливым номером, так и не смог одолеть. За неё брались многие математики, но безуспешно. Задача была поставлена в 1904 году. Прошло полвека, а она всё не поддавалась. Многие даже шутили по этому поводу: «Старику Гильберту следовало бы пропустить при обозначении несчастливый номер: этим он облегчил бы труд тех, кто пытается найти ответ его задачи № 13».

Несчастливую задачу решил Володя Арнольд, студент 4-го курса Московского государственного университета (ныне член-корреспондент АН СССР), ученик замечательного математика А. Н. Колмогорова.

Задача Гильберта являлась чисто абстрактной, она представляла соблазн просто как курьёз, как математический орешек, на котором математикам стоило поточить зубы. Никаких практических обещаний она не давала, впрочем, так же, как и другие знаменитые нерешённые задачи: теорема Ферма, поставленная лет сто назад, и Диофантовы уравнения, которым уже более тысячи лет.

С задачей сверхпроводимости дело обстояло совсем иначе, ведь это была насущная задача не только фундаментальной науки, но и техники.

Поэтому задача сверхпроводимости была решена гораздо быстрее. И сделали это Боголюбов с группой сотрудников и американские учёные Купер, Бардин и Шриффер. Они решили даже не уравнение Фрелиха, а математическую задачу, обогащённую по сравнению с этим уравнением более точными данными о явлении, задачу более полную, точнее рисующую сложное поведение электронов в некоторых охлаждённых металлах и сплавах.

Картина сверхпроводимости оказалась до тонкости похожей на картину сверхтекучести. Поэтому учёные использовали теорию сверхтекучести как фундамент для построения теории сверхпроводимости. Боголюбов за раскрытие тайны сверхпроводимости был удостоен Ленинской премии 1958 года.

А след оловянной чумы? Не затерялся ли он в путанице многочисленных следов, покрывающих недавно ещё девственные просторы царства холода? Если его отыскать и пойти по нему, он приведёт в Харьков, в одну из старейших лабораторий низких температур. Действительный член Академии наук УССР Б. Г. Лазарев и его сотрудники В. И. Хоткевич, И. А. Гиндин, Я. Д. Стародубцев натолкнулись в своих исследованиях на давнюю загадку олова.

Изучая поведение металлов при низких температурах, физики обнаружили интереснейшие вещи.

Что, если заморозить воду? Конечно, она превратится в лёд. И может даже показаться, что, замёрзнув, лёд так и останется льдом. Но лёд льду рознь. Учёным уже известен почти десяток видов льда, отличающихся между собой своей структурой, причём одна из структур превращается в другую при вполне определённой температуре.

Экспериментаторы замораживали не только воду, но и такие металлы, как литий, натрий, висмут, бериллий, ртуть, цезий, и обнаружили аналогичные превращения. Так говорил рентгено-структурный анализ, фиксируя новую структуру.

В чём же дело? Несомненно, учёные имели дело всё с теми же исходными веществами. Это были те же металлы. Но оказывается, при понижении температуры их атомы, так же как атомы льда, изменяли своё взаимное расположение, как физкультурники по команде инструктора.

Харьковчанами раскрыт и секрет олова. Оно тоже испытывает превращения, названные низкотемпературным полиморфизмом. При определённой температуре белое олово превращается в серое порошкообразное вещество, то, которое полтора столетия тому назад было обнаружено на петербургском складе. Это было олово, но изменившее свою внутреннюю структуру. Такое превращение может произойти и при более высокой температуре, если потрясти металл. Удар, сотрясение ускоряет перерождение. Как видно, по этой причине развалились баки с горючим на экспедиционных кораблях Роберта Скотта. Поэтому теперь радиотехническую аппаратуру, подверженную тряске, никогда не паяют чистым оловом.

Но всё-таки олово не раскрыло своей тайны до конца. Если другие охлаждённые металлы сохраняют металлические свойства, то олово ведёт себя совсем неожиданно… Оно превращается в полупроводник…

Необъяснимым остаётся и другое. В большинстве случаев строение охлаждённых металлов становится экономнеё, атомы и молекулы упаковываются плотнее. В этом учёные убеждались не раз. Низкие температуры поступают с металлами так же, как высокие давления.

Этому правилу подчиняются литий, натрий и многие другие металлы.

А олово — нет. Оно поступает как раз наоборот. Аккуратные белые брусочки распухают и превращаются в рыхлое месиво.

Почему оно ведёт себя именно так? Почему при охлаждении и деформации оно стремится занять побольше места? Ответа на это пока нет.

Но стоит ли об этом думать? Может быть, это вовсе не так важно?

Нет, и обращение олова в полупроводник, и увеличение его объёма при охлаждении не случайность. Это, несомненно, проявление общей закономерности. И учёные трудятся над её выявлением, ибо знание необходимо для управления поведением металлов, для создания материалов с наперёд заданными свойствами.

Ставя опыт с охлаждёнными металлами, харьковские учёные обнаружили совсем уж курьёзное явление, объяснить которое поначалу не брались даже самые опытные теоретики.

Результаты опытов упорно настаивали на том, что металл в куске может обладать совсем иными свойствами, чем тот же металл, но… в виде плёнки.

На первый взгляд это кажется просто абсурдным, противоречащим всему опыту общения с металлами. Однако…

Как садовник сажает семена растений, так физики «сажали» атомы висмута и бериллия, натрия и калия на охлаждённую жидким гелием пластинку. Сажали не торопясь, один за другим. Только так можно было получить действительно сверхтонкую пленку. Конечно, это происходило не на воздухе, а под колпаком, из-под которого специальные насосы откачивали воздух. И атомы сажали не руками. Они испарялись с поверхности расплавленного металла и, не испытывая помех, постепенно осаждались на холодную пластинку.

Изучая свойства бериллиевой плёнки и пропуская через неё электрический ток, учёные оказались свидетелями непредвиденного эффекта. Плёнка покорилась току, не оказав ему сопротивления.

На первый взгляд в этом явлении в наши дни уже нет ничего загадочного. Как гром средь бела дня оно поразило Каммерлинг-Оннеса в начале нашего века, когда, охладив ртуть до температуры жидкого гелия, он обнаружил в ней полное отсутствие сопротивления электрическому току. Явление сверхпроводимости действительно несколько десятилетий оставалось необъяснимым. Но теперь, как мы уже сказали, трудами советских и зарубежных физиков создана стройная теория этого удивительного явления.

Тем более интересна «ошибка» с бериллием, который уверенно причисляли к металлам, ни при каких условиях не способным к сверхпроводимости. Как ни охлаждали бериллий, присущая ему кристаллическая решётка препятствовала прохождению электрического тока.

И вдруг… плёночка бериллия спутала все карты. Правда, раньше учёным был известен ещё один металл — висмут, плёнки которого вопреки правилам становились сверхпроводящими. Но это долго считалось единственным исключением из общего правила.

А теперь и бериллий. Два случая — это уже не исключение. Значит, бериллий и висмут — представители группы веществ, не подчиняющихся известным нормам поведения. Это указывало на то, что теория сверхпроводимости не полна. Ведь из неё не следовали такие отклонения.

Что же заставляет эти металлы изменять свои свойства? — размышляли учёные. И нет ли здесь связи с явлением низкотемпературного полиморфизма, то есть изменения кристаллической структуры, которому подвержены оба металла? Может быть, при принудительной конденсации атомов висмута и бериллия на охлаждённую пластинку образуется искусственная решётка, склонная к сверхпроводимости?

На справедливость этих предположений указывал простой опыт. Когда исследователи многократно нагревали, а затем замораживали плёнку, она постепенно теряла свойства сверхпроводника. Так как при этом она не подвергалась никакой деформации, её атомы, возможно, постепенно возвращались к своему обычному порядку — восстанавливалась решётка, не склонная к сверхпроводимости.