5.7. «СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ: ПОЗАВЧЕРА, ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА»

В качестве заключения для тех, кого заинтересовала проблема сверхпроводимости, хотелось бы порекомендовать обзор В.Л. Гинзбурга, опубликованный в журнале «Успехи физических наук» (2000 г., т. 170, № 6, с. 619), «Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра». В этой работе академик Гинзбург выделяет четыре этапа в истории этой проблемы.

1. ПОЗАВЧЕРА (1911–1941)

Открытие в 1911 г. Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости ртути при Tc = 4,15 К положило начало одному из самых увлекательных разделов современной физики и серии нобелевских премий за исследования в этой области. Интересно, что непосредственное измерение электросопротивления ртути проводил Г. Холст (квалифицированный физик, в дальнейшем – профессор Лейденского университета), который и наблюдал первым падение R до нуля.

Так как Лейденская лаборатория «владела монополией» на жидкий гелий вплоть до 1923 г., то даже повторить опыты Камерлинг-Оннеса никто не мог, и он продолжал свои исследования в одиночку (по крайней мере, имя Холста нигде не упоминалось). Вскоре вслед за ртутью были открыты и другие сверхпроводники: олово (Tc = 3,69 К), свинец (Tc = 7,26 К) и т.д. Первый сверхпроводник вне Лейдена был открыт лишь в 1928 г. В 1914 г. выяснилось, что существует критическое для сверхпроводимости магнитное поле Hc(T), величина которого при T = 0 составляет 411 Э для ртути и 803 Э для свинца.

Интересно, что Камерлинг-Оннес был близок к открытию изотопического эффекта (в 1922 г.) и эффекта Мейснера (в 1924 г.). Но так как изотопический сдвиг Tc в использованных Камерлинг-Оннесом изотопах свинца составлял всего лишь Tc >> 0,01 К, то изотопический эффект он не имел экспериментальных возможностей обнаружить. А наблюдать эффект Мейснера в свинцовом шаре Камерлинг-Оннесу не позволило то обстоятельство, что он изучал полый шар, экономя дефицитный жидкий гелий (эффект Мейснера был открыт лишь в 1933 г.).

В теории дела на первых порах обстояли значительно хуже. И связано это было, прежде всего, с тем, что даже свойства нормального состояния металлов долгое время оставались неясными – вплоть до применения квантовой механики к вырожденному ферми-газу в конце 20-х гг. Как пишет В.Л. Гинзбург, «первый период в изучении сверхпроводимости – в отношении микротеории сверхпроводимости – окончился пониманием существования подлинной проблемы, но признанием неясности на пути ее решения», несмотря на то, что понять природу сверхпроводимости пытались даже такие мэтры как Эйнштейн и Бор. Теоретики ограничились лишь двухжидкостной моделью Гортера–Казимира (1934 г.), согласно которой в сверхпроводнике, наряду со сверхпроводящим током, может течь и нормальный ток, обусловленный «нормальными электронами». Справедливости ради надо отметить, что эта модель позволила Лондону в 1935 г. дать качественное объяснение эффекта Мейснера.

Ближе к концу этого периода Л.В. Шубниковым были открыты сверхпроводники второго рода (1935 г.), отличавшиеся от известных к тому времени сверхпроводников своим поведением в магнитном поле (как выяснилось позже, подавляющее большинство сверхпроводящих материалов относится именно к классу сверхпроводников второго рода). Причины этого отличия тогда также остались неясны.

2. ВЧЕРА (1942–1986)

Отмечая условность временной границы между «позавчера» и «вчера», В.Л. Гинзбург переходит к феноменологической теории Гинзбурга–Ландау (1950 г.), в которой сверхпроводимость описывается на языке параметра порядка. Эта теория позволила получить для сверхпроводников ряд важных термодинамических соотношений, объяснить поведение сверхпроводящих пленок в магнитном поле, эффекты переохлаждения и перегрева и т.д. В рамках теории Гинзбурга–Ландау находит объяснение и факт существования сверхпроводников первого и второго рода (Абрикосов, 1957 г.). Интересно, что анализ экспериментальных данных на основе теории Гинзбурга–Ландау позволил сделать оценку эффективного заряда e*, который оказался примерно в два раза больше, чем заряд электрона. Но мысль об объединении электронов в пары тогда никому не пришла в голову, хотя к тому времени уже давно была опубликована статья Огга (1946 г.), в которой выдвигалась идея о спаривании электронов с их последующей бозе-эйнштейновской конденсацией.

Прорыв наступил в 1957 г., когда Бардин, Купер и Шриффер создали свою знаменитую теорию БКШ, описав явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне. Теория БКШ вскрыла механизм сверхпроводимости. Было выяснено, что в его основе лежит электрон-фононное взаимодействие, которое приводит к образованию куперовских пар, переносящих «сверхток». Теория БКШ естественным образом объяснила изотопический эффект, открытый в 1950 г., и, что очень важно, позволила выразить критическую температуру Tc через фононные и электронные характеристики. В результате этого появилась возможность вести осмысленный поиск новых сверхпроводников с более высокой Tc из числа материалов с большими значениями дебаевской температуры и константы электрон-фононного взаимодействия. Для гипотетического металлического водорода была предсказана огромная Tc = (200–300) К. Но теперь «подкачал» уже эксперимент. Максимум, чего удалось добиться за 30 лет со времени публикации БКШ – это повысить Tc до 24 К в Nb3Ge (1973 г.).

А теория продолжала развиваться и в другом направлении. В 1964 г. Литтл и Гинзбург независимо высказали идею о возможном нефононном механизме сверхпроводимости в низкоразмерных (квазиодномерных или квазидвумерных) системах. Было показано, что замена фононов на экситоны (возбуждения подсистемы связанных электронов) в принципе позволяет повысить Tc до (50–500) К. Однако поиск таких сверхпроводников не увенчался успехом.

3. СЕГОДНЯ (1987–?)

«Сегодня» начинается с еще одной Нобелевской премии за открытия в области сверхпроводимости. Ее получили Беднорц и Мюллер, которые синтезировали сверхпроводник Ba-Sr-Cu-O, проложив тем самым тропинку к целому классу ВТСП с Tc ~ 100 К (наконец-то был преодолен так называемый «азотный барьер»). В сверхпроводимости начался настоящий «бум». В среднем публиковалось около 15 статей в день. Однако к концу второго тысячелетия картина высокотемпературной сверхпроводимости остается совершенно неясной. 

До сих пор непонятен механизм сверхпроводимости ВТСП. Не исключено, что он является фононным. Обсуждаются также спиновый, экситонный и другие электронные механизмы. Ни одна из предложенных моделей не лишена недостатков и не позволяет объяснить всю совокупность экспериментальных фактов. По-видимому, при описании ВТСП нельзя ограничиваться каким-либо одним типом взаимодействия. Дело осложняется тем, что даже в нормальном состоянии ВТСП обладают рядом необычных свойств. Некоторые авторы, к числу которых относится известный физик Андерсон, подвергают сомнению возможность использования ферми-жидкостных представлений для описания ВТСП. «Будущее покажет, так ли это», – говорит академик Гинзбург. Но если фононный механизм в ВТСП окажется все же определяющим, то величина Tc в классе медных оксидов вряд ли превысит 200 К.

Весьма примечательно, что В.Л. Гинзбург оставляет конец периода «сегодня» неопределенным. Автору хотелось бы, чтобы событием, которым закончится этот период, стало понимание механизма ВТСП.

4. ЗАВТРА

В этот период, возможно, реализуется «голубая мечта» – комнатно-температурная сверхпроводимость с Tc = (300–400) К. В соединениях какого типа? Трудно сказать... Возможно, это будут слоистые квазидвумерные системы, а может быть, что-то такое, о чем мы сейчас и не подозреваем. Когда это произойдет – тоже неизвестно. По словам В.Л. Гинзбурга, «у нас имеется один естественный рубеж – 2011-й год, то есть столетие со дня открытия сверхпроводимости».

А послезавтра? Академик Гинзбург в своем обзоре не рассматривает этот временной период.