velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Нобелевская премия

До недавнешнего времени посреди русских физиков было восемь нобелевских лауреатов. Сейчас их стало 10. Нобелевская премия по физике 2003 года присуждена Виталию Лазаревичу Гинзбургу и Алексею Алексеевичу Абрикосову «за пионерский вклад в теорию сверхпроводников»





Прохладные разумы


За более чем столетнюю историю Нобелевских премий практически любая восьмая премия по физике была присуждена за исследования в области низких температур, хотя физическая наука так же богата и многообразна, как окружающая природа. Чем все-таки так завлекает ученых это направление? Оказывается, при температурах, близких к абсолютному нулю, квантовые характеристики вещества становятся «видны невооруженным глазом» и появляются новые необыкновенные явления. Самые изумительные их их – сверхпроводимость и сверхтекучесть.


Так сложилось, что русские физики ровно половину собственных Нобелевских премий получили за вклад в исследование параметров веществ при низких температурах. Здесь невольно приходят на разум классические российские морозы. Но если гласить серьезно, то развивавшая это направление лаборатория, основанная Петром Леонидовичем Капицей в 30х годах прошедшего века, длительное время была одной из ведущих в мире. Сам Капица получил Нобелевскую премию в 1978 году «за основополагающие работы в области физики низких температур», что по сути значит ни мало ни много как открытие явления сверхтекучести в 1938 году. А один из наших именитых теоретиков Лев Давидович Ландау в 1962 году был отмечен Нобелевской премией «за создание новых теорий для описания конденсированных сред, в особенности водянистого гелия».

Виталию Лазаревичу Гинзбургу и Алексею Алексеевичу Абрикосову Нобелевская премия этого года присуждена за теоретические работы полувековой давности. Разработанные ими теории позволили в то время серьезно продвинуться на пути разъяснения сверхпроводимости, а по прошествии 50 лет не только лишь не утратили собственной актуальности, да и оказались нужными в связи с возникновением новых материалов. 3-ий лауреат Нобелевской премии по физике 2003 года – англичанин Энтони Леггетт. В 70х годах он определил и доказал теорию, которая растолковала, как атомы гелия3 ведут взаимодействие и распределяются в сверхтекучем состоянии. Эта очень увлекательная неувязка конкретно связана с не решенными до сего времени задачками об образовании хаоса и турбулентности. Но нельзя объять неохватное, и в этой статье мы ограничимся рассказом о сверхпроводимости – поточнее, о теоретических достижениях в этой области, за которые в 2003 году получили премию русские ученые.


Загадка сверхпроводимости


Сверхпроводимость изучат уже практически 100 лет, после того как голландец Хейке Камерлинг-Оннес следил это необыкновенное явление в 1911 году. Начав с исследовательских работ платины и золота, он скоро перебежал к опытам с ртутью, которую по тем временам было еще проще очистить от примесей. И вот в одном из первых же тестов электронное сопротивление ртути, охлажденной до температуры около 4 К, вдруг пропало совершенно, стало просто равно нулю с той точностью, с которой тогда его можно было измерить. Сначала считали, что сопротивление при сверхпроводимости просто очень и сильно мало, но равномерно сделали вывод, что это совсем особенное состояние вещества. Возьмем для сопоставления колечко из очень неплохого проводника (к примеру, незапятанной меди), по которому течет электронный ток. Не пройдет и микросекунды после выключения источника, как ток в таком кольце стопроцентно пропадет. А если сделать ток в сверхпроводящем кольце, он будет течь там фактически сколь угодно длительно, пока мы это кольцо не нагреем либо не приложим магнитное поле, достаточное для разрушения сверхпроводимости. И это не гипотезы, а экспериментальный факт. За целый год наблюдений даже самые чувствительные приборы не смогли зарегистрировать ни мельчайших признаков уменьшения величины тока, текущего в изолированном от всяческих источников сверхпроводящем кольце!


После открытия сверхпроводимости, прямо за ртутью были исследованы различные металлы-сверхпроводники, их характеристики и поведение в магнитном поле. Шли десятилетия, скапливался экспериментальный материал, но никакого теоретического обоснования отыскать не удавалось. В 1933 году узнаваемый физик Бете писал: «Насколько значительны успехи теории при разъяснении обычных явлений проводимости, так же не достаточно удалось по сей день сделать в отношении решения задачки о сверхпроводимости». Таковой теоретический вакуум существовал до 1950 года, пока в конце концов Гинзбургу и Ландау не удалось сделать 1-ый принципиальный шаг на пути разъяснения умопомрачительных параметров материалов при низких температурах.


Теория Гинзбурга-Ландау


К середине 30х годов в научном обществе уже полностью сложилось мировоззрение, что сверхпроводимость – квантовое явление и просит для собственного описания вербования законов квантовой механики. Гинзбург и Ландау не только лишь лучше всех совладали тогда с этой задачей, да и показали незаурядную научную интуицию, которая позволила им выдвинуть предположение, оказавшееся в конечном итоге ключом к осознанию природы сверхпроводимости. Как понятно, электронный ток – не что другое, как движение электронов. Можно подойти к этому вопросу с микроскопичных позиций: раздельно рассматривать движение каждого электрона и его взаимодействие с атомами решетки, посреди которых он перемещается, а потом статистически суммировать характеристики всех электронов, которые участвуют в разработке тока. А Гинзбург и Ландау в собственной теории ввели одну макроскопическую функцию, считая поведение всех сверхпроводящих электронов согласованным (либо, как молвят физики, когерентным). И хотя теория Гинзбурга – Ландау не давала ответа на вопрос о том, почему такая согласованность появляется, она позволила разъяснить большая часть экспериментальных результатов и предсказать многие прекрасные эффекты сверхпроводимости и характеристики сверхпроводящих пленок.

Любопытно, что в теории Гинзбурга – Ландау посреди огромного количества характеристик был один, имеющий размерность электронного заряда, по поводу которого у создателей так и не сложилось одного представления к моменту публикации статьи в 1950 году. Несколько позднее, сравнив выводы теории с имевшимися тогда экспериментальными данными по сверхпроводимости, Гинзбург сделал вывод, что данная величина составляет приблизительно два-три заряда электрона. Но совсем смысл ее стал ясен только после сотворения микроскопичной квантовой теории сверхпроводимости БКШ (по имени создателей – Бардин, Купер и Шриффер, – получивших Нобелевскую премию в 1972 году). Все дело оказалось в образовании пар из 2-ух электронов, так именуемых «куперовских пар». После сотворения теории БКШ было показано, что тот параметр теории Гинзбурга – Ландау в точности равен двойному заряду электрона. «Любопытно, – вспоминает Гинзбург, – что такая обычная, казалось бы, идея никому не пришла в голову – а именно, ни мне, ни Ландау».


Непременно, высшая оценка теории – признание со стороны экспериментаторов. Вот мировоззрение 1-го из ведущих профессионалов по сверхпроводимости доктора Гарвардского института Майкла Тинкхама: «Теория Гинзбурга – Ландау сейчас всемирно признана как блестящее достижение физической интуиции. Она в самой обычный форме выражает макроскопическую квантово-механическую природу сверхпроводящего состояния и имеет решающее значение для осознания уникальных электродинамических параметров этого состояния». В наши деньки теория Гинзбурга – Ландау интенсивно употребляется в физике сверхпроводников для расчетов в критериях сильных магнитных полей. Она оказывается применима ко многим другим областям, включая физику простых частиц и теорию струн. И конкретно она полста лет вспять послужила отправной точкой для сотворения Абрикосовым теории другого класса материалов – сверхпроводников второго рода.


Сверхпроводники второго рода


Сверхпроводники изумительны не только лишь своими электронными, да и магнитными качествами. Уже через год после открытия сверхпроводимости было найдено, что это состояние можно повредить, не только лишь нагревая эталон, да и помещая его в сравнимо слабенькое магнитное поле. Поле, при котором разрушается сверхпроводимость, окрестили критичным. В 1933 году Мейснер и Оксенфельд на опыте проявили, что если наружное магнитное поле меньше критичного, оно не просачивается вовнутрь сверхпроводника и всегда в нем равно нулю, как и электронное сопротивление. Но прошло совершенно малость времени, и были найдены сверхпроводники с другими качествами, в каких магнитное поле все таки находится, но в очень необычной форме. Первыми, в 1935-1936 годах, о схожих наблюдениях сказали физики из Харькова, работавшие под управлением Л.В. Шубникова. Пришлось усложнить задачку и поделить сверхпроводники на два сорта. Одни, в каких магнитное поле в сверхпроводящем состоянии всегда остается равным нулю, получили заглавие сверхпроводников первого рода. К ним относятся все сверхпроводящие металлы, не считая ниобия. А другие стали называться сверхпроводниками второго рода – это ниобий и все известные сверхпроводящие сплавы и хим соединения.


В первый раз термин «сверхпроводник второго рода» ввел Абрикосов в собственной традиционной работе 1957 года. Он отыскал так необыкновенное решение уравнения Гинзбурга – Ландау, что три года не решался опубликовать свои результаты. Ну и после публикации к этой работе сначала отнеслись с недоверием. И только через пару лет, когда экспериментаторы в конце концов удостоверились, что сложное поведение сверхпроводящих сплавов в магнитном поле соответствует теории Абрикосова, она получила всеобщее признание.


Вихри Абрикосова


Явление, на теоретическом уровне предсказанное Абрикосовым для сверхпроводников второго рода, именуют «вихрями Абрикосова». Наружное магнитное поле просачивается в такие сверхпроводники очень своеобразно: когда оно становится довольно сильным, в материале начинают формироваться нити (вихри) в виде узеньких цилиндров, где вещество находится в обычном, несверхпроводящем состоянии, а вокруг этих нитей как и раньше течет сверхпроводящий ток. Если и далее наращивать магнитное поле, число вихрей с обычным состоянием становится все в большей и большей степени. В конце концов места для сверхпроводимости не остается, и она исчезает.


Подобно тому как силовые полосы магнитного поля от обыденного магнита можно «проявить» при помощи железных опилок, есть возможность узреть и вихри Абрикосова. Только для этого требуются более роскошные опыты. Один из первых таких опытов сделали в 1967 году германские физики Эссман и Тройбл. Они нанесли узкую органическую пленку на торцевую поверхность сверхпроводящего цилиндра из сверхпроводника второго рода и перевели его в смешанное состояние, приложив магнитное поле. После чего на торцевую поверхность был напылен узкий слой ферромагнитного порошка. Частички порошка более густо оседали на поверхность в местах скопления магнитных силовых линий – в центрах вихрей. Отделив потом органическую пленку от сверхпроводника и поместив ее в электрический микроскоп, ученые получили возможность полюбоваться умопомрачительной решеткой из вихрей.


Теоретическая работа Абрикосова предназначила развитие целого направления в физике сверхпроводников. Ведь сверхпроводники второго рода могут оставаться сверхпроводящими в очень сильных магнитных полях и, как выяснилось позднее, при более больших температурах. Конкретно к этим материалам приковано в последние несколько десятилетий всеобщее внимание, так как посреди их удалось найти так именуемые «высокотемпературные сверхпроводники». Чтоб перевести такие соединения в сверхпроводящее состояние, уже не требуется водянистый гелий,
а полностью довольно еще более дешевенького и доступного водянистого азота.


Вперед и ввысь, а там…


В наши деньки сверхпроводящие элементы – неотъемлемая часть самых четких устройств для измерения малых напряжений и магнитных полей, без их нереально сделать высокочувствительные сенсоры излучений и сверхсильные магниты. Сверхпроводники лежат в базе устройств для магнитно-резонансной томографии, так как владеют достаточной чувствительностью, чтоб зафиксировать конфигурации магнитных полей мозга, в тыщи раз более слабенькие, чем окружающее нас магнитное поле Земли. Но один барьер все таки никак не удается преодолеть – необходимость создавать и поддерживать очень низкие температуры. Невзирая на колоссальные усилия и денежные издержки, поиск высокотемпературных сверхпроводников продвигается с огромным трудом. Он больше припоминает стрельбу по мишени в черной комнате, так как теоретического разъяснения параметров таких соединений пока не найдено. Но как теория и опыт и тут придут в конце концов к обоюдному согласию, мы, вне сомнения, станем очевидцами новейшей научно-технической революции.






Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments