Сверхтекучесть и сверхпроводимость

Как неоднократно отмечалось ранее, на сегодняшний день наиболее образцовой физической концепцией является квантовая теория ноля. Неудивительно поэтому, что исчерпывающее объяснение строения твердых тел и жидкостей предполагает обращение к понятиям квантовой физики. Обратимся в этой связи к двум удивительным явлениям, сверхтекучести и сверхпроводимости. Сверхтекучесть была открыта в 1938 г. П. Л. Капицей (Нобелевская премия, но физике за 1976 г.). Он обнаружил, что при температуре ниже 2,17 К жидкий гелий ^АНе приобретает способность протекать без трения через узкие капилляры и щели. Он даже способен ползать по поверхности, как бы пренебрегая силами поверхностного натяжения и гравитации. В резервуарах, показанных на рис. 2.18, жидкий гелий «ползет» по стенкам до тех пор, пока его уровень в обоих резервуарах не выровняется.

Исторический экскурс

Явление сверхпроводимости было открыто нидерландским ученым X. Камерлинг-Онессом в 1911 г. (Нобелевская премия по физике за 1913 г.). Он обнаружил, что ртуть при температуре 4,1 К переходит в сверхпроводящее состояние, электрический ток проходит через нее без каких-либо потерь. Обычно проводники, через которые проходит электрический ток, нагреваются. И вдруг выясняется, что это правило нарушается. Необычное явление нуждалось в последовательном объяснении. Физики призадумались…

Рис. 2.18. Сверхтекучесть жидкого гелия.

Явление сверхпроводимости было открыто на 27 лет раньше, чем явление сверхтекучести. Впрочем, его объяснение случилось позже, чем истолкование явления сверхтекучести. Дело в том, что в концептуальном отношении объяснение сверхпроводимости сложнее, чем истолкование сверхтекучести. Итак, каким же образом можно объяснить такие неожиданные явления, как сверхтекучесть и сверхпроводимость? Решающие идеи на этот счет приведены в книге двух авторов^[1].

В квантовой физике Н. Бор в теперь уже далеком 1913 г. сформулировал идею о том, что квантовая система, в качестве которой у него выступало ядро атома с его электронными оболочками, может находиться в стационарных состояниях, которое нарушается лишь в случае, если ей сообщается энергия, достаточная для перехода в другое стационарное состояние. Электроны, движущиеся вокруг ядер атомов, не излучают электромагнитные волны. Они движутся без всяких энергетических потерь. Их поведение описывается соответствующими волновыми функциями.

В случае сверхтекучести и сверхпроводимости налицо также некоторые стационарные состояния, реализующиеся без потерь энергии. Нарушить эти состояния можно лишь за счет подвода к ним достаточно больших порций энергии. Так как речь идет о квантовых явлениях, то придется обратиться к понятиям квантовой механики и квантовой теории поля, в частности к понятию волновой функции. Подобно тому, как электроны в атоме описываются волновыми функциями, состояние жидкостей в случае сверхтекучести и состояние электронов в сверхпроводящих средах также целесообразно описывать волновыми функциями.

Атомы ^АНе обладают нулевым спином, т. е. являются бозе-частицами. В отличие от них электроны, спин которых равен ½, принадлежат к ферми-частицам. Жидкий гелий ^АНе — эго бозе-жидкость. Специфическое свойство бозе-частиц состоит в том, что они могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии. С этой точки зрения неудивительно, что жидкий гелий оказывается в сверхтекучем состоянии. Все атомы данной жидкости оказались в одном и том же состоянии. Его обнаружили при малых температурах. Дело в том, что при больших температурах происходит энергетический обмен, нарушающий стационарное состояние. Теория сверхтекучести была разработана Л. Д. Ландау в 1941 г. (Нобелевская премия по физике за 1962 г.).

Обратимся теперь к явлению сверхпроводимости (рис. 2.19). Если бы электроны были бозе-частицами, то они могли бы быть объяснены по образцу истолкования сверхтекучести. Но, как уже отмечалось, они являются ферми-частицами, которые подчиняются принципу Паули, согласно которому два фермиона не могут находиться в одном и том же состоянии. Выражаясь не строго, бозе-частицы — ярко выраженные коллективисты, а ферми-частицы, в частности электроны, — непримиримые индивидуалисты. Тем не менее в случае сверхпроводимости электроны каким-то образом ведут себя как единое целое, не взаимодействуя с ионами той среды, в которой они движутся. В этом месте следует сделать еще одно разъяснение. Электрический ток, обеспечиваемый движением электронов, может состояться лишь постольку, поскольку они обладают волновыми свойствами. В противном случае, находясь, например, в твердых телах, они бы не сумели пробиться сквозь тесный строй положительно заряженных ионов.

Итак, физикам предстояло объяснить возможность объединения электронов в единое целое. Если бы два электрона не отталкивали друг друга, а наоборот, притягивали друг друга, то они образовали парную бозечастицу. А бозе-частицы объединяются в системы тождественных частиц. Оказалось, что механизм притяжения электронов действительно существует. Состоит он в следующем.

Рис. 2.19. Механизм сверхпроводимости

Отрицательно заряженный электрон, пролетая между положительно заряженными ионами, притягивает их к себе. Ионы намного тяжелее электронов. Тем не менее они несколько смещаются, образуя вблизи того места, которое успел покинуть электрон, положительно заряженную область. К ней притягивается следующий электрон. Дело происходит так, как будто два электрона притягиваются друг другу. Эффективно такое притяжение действительно имеет место, но лишь благодаря взаимодействию электронов с ионами. В итоге поток электронов ведет себя так, как будто он состоит из бозе-частиц. Как было показано физиками, колебания ионов можно представить в форме квазичастиц, названных фононами. Имеется в виду, что эти колебания описываются тем же математическим аппаратом, что и движения настоящих частиц. Таким образом, сверхпроводимость объясняется взаимодействием электронов с фононами. Образуется особый квантово-волновой процесс с характерным для нето согласованным движением электронов.

Историческая справка

Теория сверхпроводимости создавалась в течение многих лег. Наиболее образцовой считается теория Дж. Бардина, Л. Купера и Дж. Шриффера, обнародованная в 1957 г. (Нобелевская премия по физике за 1972 г.). Прекрасный цикл работ был выполнен нашими соотечественниками Л. Д. Ландау, В. Л. Гинзбургом и А. А. Абрикосовым уже в самом начале 1950;х гг. Гинзбург и Абрикосов стали лауреатами Нобелевской премии, но физике в 2003 г. Многие аспекты явления сверхпроводимости не осмыслены по настоящий день.

И сверхтекучесть, и сверхпроводимость — явления, широко распространенные в природе. Сверхтекучесть обнаружена не только в жидкостях, но и в разряженных газах, а также в жидко-кристаллическом рубидии. Существуют работы, в которых обосновывается наличие сверхтекучести в нейтронных и кварковых звездах.

Сверхпроводимостью обладают около 30 химических элементов (некоторые только под высоким давлением), более 1000 сплавов, широкий класс керамик, некоторые фуллерены (разновидностей углеродных кластеров). Сверхпроводимость характерна и для некоторых разновидностей звезд, а также ядер планет.

Ведется упорный поиск материалов, обладающих сверхпроводимостью при относительно высоких температурах. Пока достигнута граница в 138 К (-135°С). Низкотемпературные сверхпроводники широко используются для получения сильных магнитных полей при создании ускорителей частиц. Если удастся существенно повысить те критические температуры, при которых наблюдается явление сверхпроводимости, то широчайшие перспективы откроются в электротехнике, в частности в связи с необходимостью сокращения потерь, имеющих место в высоковольтных линиях передач.

Выводы

• • Все макроявления в конечном счете объясняются квантовой теорией поля.
• • Сверхтекучесть и сверхпроводимость являются результатом установления согласованного движения частиц, например атомов гелия (в случае сверхтекучести) и электронов (в случае сверхпроводимости).
• • Изученные физиками законы сверхтекучести и сверхпроводимости открывают широкие возможности их использования в технике.

• [1] Гинзбург В. Л., Андрюшин Е. А. Сверхпроводимость. М.: Альфа-М, 2006.