Сверхпроводимость

Так называется открытое в 1911 году нидерландским физиком Г. Каммерлииг-Оииесом свойство металлов скачком терять сопротивление электрическому току при охлаждении их ниже некоторой определенной для каждого металла температуры перехода. Сегодня сверхпроводимость находит все более широкое и успешное применение. Известны сверхпроводящие магниты, различные измерительные приборы, сверхвысокочастотные резонаторы, элементы памяти вычислительных машин. Сверхпроводимость позволила этим устройствам достичь таких показателей, которые без нее, пожалуй, были бы немыслимы. Одно плохо: используемые ныне на практике сверхпроводящие сплавы имеют, как правило, температуру перехода всего на десяток градусов выше абсолютного нуля. Чтобы достичь столь глубокого охлаждения, требуются сложное оборудование и немалые энергетические затраты.

Задумывались ли вы, что было бы с электротехникой, если бы не существовало ферромагнитных материалов? Тех, из которых

[smszamok]

делаются сердечники электромагнитов, обретающие благодаря такой детали способность концентрировать магнитные силовые линии и тем самым во много раз увеличивать индукцию магнитного поля? Наверное, в принципе, мало что изменилось бы: были бы и двигатели, и генераторы, и трансформаторы… Но как сильно возросли бы размеры электрических машин я потери энергии! Насколько труднее давался бы каждый киловатт! А ведь то, что железо, кобальт и многие их сплавы являются ферромагнетиками при обычных температурах, в значительной степени случайно. Это подарок природы. Нагрейте их на несколько сот градусов, и все их ферромагнитные свойства пропадут. Между тем вполне могло бы случиться, что подобная потеря наступала бы уже при 0вС, или при —10° С, или при еще более низких температурах. И тогда нам пришлось бы решать, что выгоднее: охлаждать.

Явление сверхпроводимости во многом сходно с явлением ферромагнетизма. И то и другое возникает при понижении температуры ниже определенного предела из-за взаимодействия электронов между собой. Только вот температуры сверхпроводящего перехода очень низки. Природа почему-то не подарила нам веществ, которые обладали бы сверхпроводимостью при нормальных температурах. Поэтому можно лишь мечтать, что было бы тогда… Эти мечты необычайно заманчивы. Сверхпроводящая электротехника отличалась бы от нашей несверхгароводящей еще разительней, чем электротехника, так сказать, ферромагнитная отличается от гипотетической электротехники без ферромагнитных материалов. Исчезли . бы потери электроэнергии. При тех же мощностях электрических машин существенно уменьшились бы их габариты. Наконец, перед конструкторами таких машин открылись бы совершенно новые возможности.

Какие же факторы определяют температуру сверхпроводящего перехода? И что ограничивает ее величину? На этот вопрос долго не было никакого ответа. В 1957 году Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер в США и Н. Н. Боголюбов создали микроскопическую теорию сверхпроводимости. Появилась возможность научной трактовки вопроса. Правда, теоретическая физика твердого тела пока очень плохо приспособлена для того, чтобы на запросы практиков выдавать конкретные числа. Еще немыслима такая картина: берем вещество, смотрим, из каких атомов оно состоит, запускаем всю эту информацию в мощную ЭВМ и получаем в ответ температуру перехода. Слишком сложен этот объект исследования, твердое тело, слишком малы еще вычислительные возможности современных ЭВМ. Тем не менее оценки делать можно, и оценка максимально возможной температуры сверхпроводящего перехода в обычных металлах и сплавах существует: что-то около 30—40 градусов выше абсолютного нуля. Но насколько верна эта оценка? Насколько она точна?

В доказательство ее реальности академик В. Л. Гинзбург как-то раз нарисовал полушутливый график. По его горизонтальной оси отложены годы. Крайней левой отметке соответствует 1911 год. Тогда Г. Каммерлинг-Оннес начал исследовать проводимость различных материалов при температурах, близких к абсолютному нулю. Вертикальная ось графика представляет собою шкалу абсолютных температур. Отсчитываемые от абсолютного нуля, они измеряются в тех же градусах, что и по шкале Цельсия, но отмечаются буквой К. (Напомним, что ОК = —273,15° С; привычный кружок перед буквой К не ставится.) Охладив ртуть до температуры 4,1 К, Каммерлинг-Оннес обнаружил, что сопротивление металла скачком упало до нуля. Наблюдавшаяся в этом первом эксперименте способность проводников не оказывать сопротивления электрическому току и была названа сверхпроводимостью.

Вслед за ртутью физики стали испытывать на сверхпроводимость другие металлы. Многие из них при температурах более или менее близких к абсолютному нулю утрачивали сопротивление — совершали, как говорят физики, сверхпроводящий переход. Интересно было выяснить: у кого из них температура перехода выше? В 1913 году рекордный результат показал свинец: 7,2 К. Семнадцать лет спустя его рекорд был побит ниобием: 9,3 К. Участниками состязания по сверхпроводимости тем временем стали сплавы метал-лов и их соединения. Новый рекорд в 1954 году отошел к соединению Ниобия и олова (18,1 К), а еще два десятилетия спустя, в 1973 году,— к соединению ниобия и германия (около 23 К).

Итак, тридцать градусов… Много это или мало? И сколько их нужно для полного счастья? В отличие от Шуры Балаганова, который в ответ на аналогичный . вопрос Остапа Бендера назвал число с точностью до одной копейки, мы будем менее категоричны.

Чтобы полностью использовались возможности конкретного сверхпроводника, он должен работать при температурах, примерно вдвое меньших температуры его перехода. Применяемые сейчас технические сверхпроводящие материалы имеют температуры перехода от 10 до 18 К. Это значит, что их нужно охлаждать жидким гелием, чья температура кипения при нормальном давлении составляет 4,2 К. Но жидкий гелий — очень неэффективный и не очень удобный хладагент: слишком невелика у него теплота испарения, и потому нужна очень тщательная теплоизоляция, чтобы он подольше оставался жидкостью. К тому же он редок и недешевый. Чтобы использовать в качестве хладагента жидкий водород, температура кипения которого при нормальном давлении около 20 К, а теплота испарения существенно выше, чем у гелия, нужно иметь сверхпроводники с температурами перехода в районе 30—40 К. Однако жидкий водород сильно взрывоопасен. Лучше подошел бы тут жидкий азот, который сейчас широко используется во многих лабораториях. У него температура кипения около 78 К — стало быть, в его окружении могут работать сверхпроводники с температурами перехода выше 100 К- Если бы такие удалось создать, легко представить, какое широкое распространение они бы получили.

Но поистине огромным достижением было бы создание вещества, сверхпроводящего при комнатной температуре. Тогда сверхпроводимость стала бы бесплатной. Каждая из точек, нанесенных на этот график и соединенных плавной кривой, означает: на соединении данного состава в данном году была зарегистрирована данная температура сверхпроводящего перехода, рекордная для своего времени. Возможно ли такое? И что нужно делать для достижения заманчивой цели? Где следует искать высокотемпературную сверхпроводимость? Такие корифеи сверхлроводникового материаловедения, как член-корреспондент АН Н. Е. Алексеевский и ныне покойный американский профессор Б. Маттиас, годами нащупывали эмпирические правила и закономерности и шли одним им ведомыми путями от одного сплава к другому, добиваясь все более высоких температур перехода. Но эти пути, похоже, уже привели на вершину, и выше этой вершины поблизости ничего не видно.

После того как в 1957 году появилась микроскопическая теория сверхпроводимости, физики, работавшие в этой области, некоторое время находились в состоянии растерянности. Великая загадка, над решением которой они бились столько лет, была разгадана, и казалось, что делать тут уже нечего. О технических приложениях сверхпроводимости тогда серьезно еще никто не думал. Считалось, что это практически невозможно. Но как сильно изменилась ситуация уже через несколько лет! Оказалось, что есть еще уйма работы и теоретикам, и экспериментаторам, и технологам, и изобретателям.

Знаменательным в этом отношении был 1964 год. Им принято отмечать начало целенаправленного подхода к проблеме высокотемпературной сверхпроводимости. К этому году постепенно укрепилось понимание того, что традиционный путь практически исчерпан и решение — разумеется, если оно возможно! — нужно искать на пути создания принципиально новых материалов. А главное — в этом году была высказана первая «сумасшедшая» идея. Потом были другие идеи, может быть, даже более обоснованные — во всяком случае, воспринимавшиеся более спокойно. Но первая произвела впечатление разорвавшейся бомбы. Тем более что высказавший ее профессор У. Литтл из Стэнфордского университета (США) придал своему выступлению не совсем обычную для научных публикаций эмоционально окрашенную форму. Если барьер (ДЛЯ температуры перехода.— И. Щ.) и существует, писал Литтл, то создан он не природой, а нами, ее исследователями. Этим барьером является недостаток творческого воображения.

Что же предлагалось? В обычных сверхпроводниках взаимодействие между электронами, ответственное за переход в сверхпроводящее состояние, передается через ионный остов кристаллической решетки. Чем тяжелее ион, тем труднее его раскачать, по-этому тем хуже взаимодействуют электроны, тем ниже температура перехода. Особенно наглядно это проявляется в так называемом изотопическом эффекте: температура перехода различных изотопов одного и того же металла тем ниже, чем тяжелее изотоп.

Так вот, предложение У. Литтла состояло в том, чтобы устроить передачу взаимодействия между электронами проводимости не за счет ионов решетки, а за счет других электронов, специально приспособленных для этой цели. Электрон в сотяи тысяч раз легче большинства ионов, гораздо податливей на раскачку. Поэтому, если такая замена удастся, это сулит резкий подъем температуры сверхпроводящего перехода.

Электроны-посредники должны быть пространственно отделены от электронов проводимости. Для этой пелн В. Л. Гинзбург предложил использовать «сандвичи» из чередующихся слоев металла в полупроводника толщиной в несколько атомных слоев. У. Литтл «сконструировал» линейную полимерную молекулу-цепочку, вдоль которой пустил бегать электроны проводимости; электроны-посредники он поместил в боковых молекулярных груввах, а этаких отростках, привешенных к «почке. Литтл произвел несложные вычисления получил для температуры перехода своего полимера в сверхпроводящее составив величину 2000 К. Горячие головы заговорили о близкой эпохе жаропрочных сверхпроводников. Было ясно, во-первых, что полимерная органическая молекула Лвтила более соответствует профилю я возможностям института, чем тонкопленочные «сандвичи Гинзбурга». Но подсоединять электрические контакты к одной-единственной молекуле никто еще не научился. Начинать же сразу работать с перепутанным клубком молекул часто неодинакового состава н строения, которым обычно является кусок любого полимера, было бы чистым безумием. В случае неудачи (а на начальном этапе неудача гарантировалась многими участниками теоретической дискуссии) разобраться в ее причинах и вообще в том, что происходит, было бы невозможно.

Поэтому было решено попробовать на роль веществ с двумя пространственно разделенными системами электронов незадолго до того синтезированные органические ион-радикальные соли тетрац’ианох’инодиметана. Это название специалисты кодируют сочетанием четырех букв: ТСЫО. Итак, все качалось с ион-радикальных солей ТСЫСЭ. Что это за соединения? Возьмем воем известную соль ЫаС1. Когда она образуется, один электрон натрия уходит к хлору, и получается вещество, состоящее «з катионов Иа+ и анионов С1-. Точно так же к молекуле ТСЫСЗ может перейти один электрон, например, от калия. Тогда образуется ион-радикальная соль, состоящая из катионов К+ и анион-радикалов ТСЫ<3. (Анион-радикал отличается от просто аниона тем, что содержит нечетное число электронов. Это обстоятельство иногда отмечают точкой справа вверху над символом молекулы.) В отличие от сферически-симметричных ионов Ш+ и С1~, образующих кубическую решетку поваренной соли, большие и плоские анион-радикалы ТСЫО, иначе формируют кристаллическую структуру. Решетка возникающих при этом кристаллов составлена из простирающихся вдоль одного направления стопок, в каждой из которых ионы располагаются подобно позвонкам в позвоночнике. Параллельными стопками выстраиваются в таком кристалле и катионы. Большинство ион-радикальных солей ТСИО, как и поваренная соль, не проводит электричества совсем или проводит очень плохо. Вообще говоря, в каждом веществе обязательно имеются свободные электроны, но существует много причин, которые препятствуют им переносить электрический ток и делают вещество диэлектриком. В случае солей ТСИСЭ главную роль играет взаимное отталкивание электронов: когда на каждой молекуле ТСЫО в стопке сидит один электрон, перешедший сюда с катиона, они не дают друг другу двигаться.

Но если удается сделать так, чтобы молекул ТСИС? в соли было больше, чем катионов, или так, чтобы при равном их числе электроны отдавали молекулам ТСЫ<3 только часть катионов, тогда вдоль стопок возникает электрическая проводимость. А в поперечных направлениях молекулы-позвонки из разных стопок сидят так далеко друг от друга, что никакой проводимости не получается.

Таким образам, образуются, как говорят, квазиодномериые проводящие цепочки. Электрический ток может протекать по ним практически в одном направлении, как и в гипотетической полимерной молекуле Литтла. Электроны-посредники поставляются катионными стопками. Таков был замысел. Нужно было приступать к делу.

Направленный синтез подобных органических соединений, так же как получение из них монокристаллов,— нелегкая проблема. За ее решение взялись доктор химических наук М. Л. Хидекель и замечательный энтузиаст кандидат химических наук Э. Б. Ягубский из Ногинского научного центра, доктор химических наук О. Я- Нейланд из Рижского политехнического института и многие их сотрудники. Синтезированные кристаллы, хрупкие и маленькие (их длина часто не превосходит миллиметра, а толщина — десятка микрометров), нужно было исследовать разнообразными методами. Кандидат физико-математических наук Л. И. Буравов первым научился приспосабливать к ним надежные электрические контакты, а кандидат физико-математических наук В. Н. Лаухин — подвергать действию больших давлений так, чтобы они не растрескивались. Кандидаты физико-математических наук Р. Б. Любовский и А. В. Зварыкина подробно изучали их магнитные свойства, а доктор физико-математических наук Р. П. Шибаева и кандидат физико-математических наук В. Ф. Каминский стали виртуозами в расшифровке их очень непростых кристаллических структур.

[/smszamok]

Первые же измерения показали, что сверхпроводимостью в солях ТСЫ<3 с различными катионами вовсе и не пахнет. Вот вам и 2000 К! И даже проводниками эти соли были довольно странными: то ли они металлы, то ли нет, сразу не скажешь. У металлов сопротивление должно падать пр« понижении температуры. И у этих падало, когда их начинали охлаждать ниже комнатной температуры. Но только до определен-, ной температуры. А при дальнейшем охлаждении начинало возрастать. Так иногда ведут себя сильно легированные полупроводники, но у тех совсем другие магнитные свойства! Опять непонятно. И так практически во всем. Но это-то и было интересно. Загадки для того и существуют, чтобы их разгадывать.

Основной язык сайта