Високотемпературна надпровідність
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Дослідження проблеми надпровідності розвивається зараз за двома основними напрямками. Мета першого з них – вивчити властивості тих надпровідникових металевих сплавів, які вже створені і працюють при температурах близько десяти — двадцяти градусів Кельвіна з охолодженням їх рідким гелієм. У них є багато корисних властивостей, які можуть і повинні знайти своє застосування. І тут вже не до роздумів про те, висока або низька їх критична температура. Краще спробувати використовувати все, що можна, з цього досить великого арсеналу.
Подібними завданнями займаються в Інституті фізики твердого тіла. Причому стикаються з цілим рядом не тільки рутинних завдань, але, на мій погляд, і з досить дивовижними і несподіваними речами. Наприклад, виявляється, що чим метал гірше приготовлений — більше домішок, більше дефектів,— тим він краще з точки зору надпровідності.
Інший напрямок пошуків в проблемі надпровідності визначився бажанням навчитися робити надпровідники, у яких критична температура була б помітно вище. Найкраще, щоб це була надпровідність при кімнатній температурі. Але, на худий кінець, зовсім непогано підвищити температуру хоча б ще на кілька градусів, щоб охолоджувати їх не рідким гелієм, а, наприклад, рідким воднем. Це було б значно дешевше і простіше.
Проблема високотемпературної надпровідності по ряду моментів дещо схожа на іншу проблему, а саме — керований термоядерний синтез.
Перший момент – їх прикладне значення. У цьому сенсі з безлічі фізичних завдань надпровідність стоїть найближче до проблеми керованих термоядерних реакцій, причому, може бути, і для отримання цих реакцій надпровідність виявиться незамінною, щоб зробити, скажімо, більш економічні по енергоспоживанню надпровідні магніти. Адже зараз термоядерні установки пожирають дуже багато енергії – поки ще набагато більше, ніж дають.
Але є і чисто фізичні аналогії. Наприклад, в тороїдальних магнітних пастках – «токамаках» — заряджені частинки плазми рухаються практично одновимірно – тільки уздовж силових ліній магнітного поля. Як по ниточці. Такий рух прийнято називати одновимірним, оскільки в рівняння руху таких частинок входить тільки одна координата.
А найбільші надії у високотемпературній надпровідності покладаються зараз на з’єднання, в яких рух електричних зарядів теж одновимірний,— так звані одновимірні провідники.
Треба сказати, що теоретики завжди любили одновимірні моделі. Звичайний світ наш тривимірний, має довжину, ширину і висоту. Але іноді простіше щось порахувати, якщо уявити, що є тільки одна координата і немає двох інших, і подивитися, як би такий одновимірний світ був влаштований. Однак зазвичай це розглядалося як якась абстрактна, допоміжна модель, яка не має відношення до дійсності.
А тут раптом виявилося, що реально можуть існувати органічні речовини, де електрони знаходяться в такому одновимірному світі. Дуже цікава структура таких сполук: молекули в них укладені стопками одна на іншу, зовсім як стопка олівців. Кожен «олівець» — це ланцюжок молекул, причому уздовж ланцюжка відстань між молекулами маленька, а в двох інших напрямках, тобто між сусідніми «олівцями», – набагато більше. Тому уздовж ланцюжка, від молекули до молекули, електронам рухатися набагато легше, ніж поперек, з «олівця» на «олівець». В силу цього провідність уздовж стопки в тисячу разів більше, ніж в двох інших, перпендикулярних напрямках.
Ось і виходить, що коли ми розглядаємо властивості такої системи, що відповідають за її електропровідність, можна з дуже високим ступенем достовірності розглядати її як одновимірну. Так виявилося, що абстрактні одновимірні моделі знайшли найбезпосередніше застосування в нашому реальному світі.
Коли наша розмова зайшла про аналогії між проблемами високотемпературної надпровідності і керованого термоядерного синтезу, не зайве згадати і ще про одну аналогію. І там і тут найперші ідеї були самими райдужними. Але коли пішов експеримент, все стало значно складніше. І там і тут домогтися бажаного заважають нестійкості: і «одновимірна» плазма виявилася нестійкою, і провідність в одновимірних з’єднаннях теж.
І там і тут виникла своя велика наука, своя фізика – як експериментальна, так і теоретична.
Для надпровідності потрібно, щоб електрони в речовині притягувалися один до одного, зв’язувалися в пари, і тоді ці пари течуть по металу без опору. Зазвичай в порожнечі і в повітрі однойменні електричні заряди відштовхуються. Але в твердих тілах – і в цьому вся справа – вільні електрони не зовсім вільні, оскільки відчувають на собі вплив кристалічної решітки, в просторі якої вони переміщаються. Причому кожен електрон притягує до себе позитивний заряд – найближчий іон, що сидить у вузлі решітки. І до цього ж позитивного заряду притягується, в свою чергу, інший електрон. Так, за допомогою вузла решітки, виникає ефективне тяжіння між парою електронів. А чим сильніше це тяжіння, тим буде вище температура, при якій настає надпровідність.
Такого роду механізм по ряду причин, на які мені б не хотілося відволікати увагу читачів, пов’язаний з деформацією кристалічної решітки. І тому завдання полягає в тому, щоб знайти такі тіла, в яких деформація решітки відбувалася б найлегше. Але тверді тіла влаштовані так, що якщо решітка деформується дуже легко, то це трапляється найчастіше мимовільно. Причому так, що відбувається фазовий перехід, і кристал виявляється в якомусь іншому стані, де решітка вже деформується з великими труднощами. (Це природне прагнення всіх систем – з нестійкого стану переходити в більш стійкий з меншою потенційною енергією. Уявіть собі хоча б кульку на гребені хвилі, яка так і норовить скотитися в западину.) Так ось в цьому новому стані взаємодія між електронами вже виявляється слабкіше.
Попередні розрахунки, які ми виконали, давали надію, що в одновимірних органічних сполуках подібна нестійкість буде не дуже сильною. І навчившись запобігати їй, ми зможемо домогтися появи надпровідності. Було досліджено багато одновимірних сполук, у них виявилося чимало дивовижних властивостей…
…Але знайти в них надпровідність, хоча б низькотемпературну, досі не вдалося. Знову-таки втрутилася нестійкість! Хоча одновимірні сполуки, може бути, і більш стійкі, ніж звичайні тверді тіла. Адже електрони в них не можуть відхилятися убік, а змушені рухатися, як по жолобку, тільки уздовж ланцюжка молекул. Але навіть в такій жорсткій обстановці електрони примудряються проявляти свій норов: при деякій температурі їм виявилося вигідніше розташуватися періодично уздовж ланцюжка і стабілізуватися в такому стані.
І тому замість провідників ці речовини стають діелектриками, так і не дійшовши буквально на один крок до надпровідного стану.
Зовсім недавно знайшли і такі одновимірні провідники, які вже до як завгодно низьких температур зберігають властивості металів. Але надпровідність у них так і не настає. У таких випадках я люблю говорити, що потрібно шукати там, де темно. І оскільки в нашому розпорядженні з’явився якийсь клас абсолютно нових з’єднань, надія щось знайти в них все-таки більше, ніж в звичайних металах, які досліджені вже досить добре. Там ми, мабуть, підійшли до межі: за п’ять років вдається підвищити температуру всього на півградуса, а такими кроками можна рухатися дуже довго. А тут, хоча, може бути, надпровідність і не вийде, є все ж ймовірність створити якусь речовину з абсолютно незвичайними властивостями.
Але вже і ті сполуки, які вдалося створити, принесли багато цікавого і дивного, хоча і не пов’язаного з надпровідністю. Якщо знову згадати аналогію з плазмою, яку іноді називають четвертим станом речовини (правда, тут не скажеш, що відкрито новий стан речовини,— це все-таки тверді тіла), одновимірні органічні системи можна назвати четвертим станом твердого тіла. Вони не схожі ні на метал, ні на напівпровідник, ні на діелектрик; а іноді схожі і на те, і інше, і третє відразу.
Зрозуміло, настільки унікальні властивості не забаряться знайти собі практичне застосування.
Автор: А. Ларкін, доктор фізико-математичних наук.