Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
21.02
В пении флейтовых птиц обнаружены музыкальные принципы

20.02
Экстракт из старых сородичей ускоряет старение

16.02
Открыт бензольный дикатион — пирамида с шестикоординационным углеродом

15.02
Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

14.02
Кембрийское ископаемое Saccorhytus поместили в основание эволюционной линии вторичноротых






Главная / Библиотека / Опубликовано полностью версия для печати

академик Виталий Лазаревич Гинзбург,
к. ф.-м. н. Евгений Александрович Андрюшин

Глава 5. Звезда сверхпроводимости

Мода и сверхпроводимость

В сфере интеллектуальных исследований мода играет ничуть не меньшую роль, чем в сфере промышленности потребительских товаров. Есть модные направления исследований, а есть и такие, которые считаются малоперспективными. И основа здесь вполне рациональна: часто для того, чтобы получить средства для проведения исследований, необходимо убедить людей, что потенциальные результаты таких исследований положительно скажутся на их жизни. А для этого надо быть убежденным в своей правоте.

На протяжении последних десятилетий изучение явления сверхпроводимости попадало и на периферию общественного сознания, и в самый центр его внимания. Скажем, до 1986 года мало кто верил в получение новых интересных результатов в области сверхпроводимости. Большинство людей просто не слышали об этом явлении. Другие, более эффектные технические применения физических открытий, например атомная бомба, лазеры, полупроводниковая электроника, заслоняли сверхпроводимость. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) резко изменило ситуацию.

Новый период начался в октябре 1986 года после публикации статьи Г. Беднорца и А. Мюллера о возможном наблюдении сверхпроводимости при температуре более 30 К. Авторы были очень осторожны в выражениях: сообщения о повышении критической температуры появлялись и раньше, но пока ни разу не подтверждались. На этот раз результат был не только подтвержден, но и быстро «улучшен». В начале 1987 года уже в ряде лабораторий установили, что в соединении четырех химических элементов — лантана, стронция, меди и кислорода La–Sr–Cu–O — существует достаточно резкий сверхпроводящий переход с Tc = 36 К. Уже этого было достаточно, чтобы мир физики пришел в возбуждение. В начале марта 1987 года было опубликовано сообщение о сверхпроводимости в соединении элементов иттрия, бария, меди и кислорода Y–Ba–Cu–O, о сверхпроводимости при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота Tb = 77,4 К. Обнаружена «азотная» сверхпроводимость, которая совсем недавно казалась недосягаемой мечтой!

Один из авторов этой книжки занимался высокотемпературной сверхпроводимостью с 1960-х гг. и в своей Нобелевской лекции так описывал эту ситуацию:

Время шло, а довольно многочисленные попытки создать ВТСП надежным и воспроизводимым образом к успеху не приводили. В результате после некоторой вспышки активности наступило затишье, что дало мне основание в популярной статье... 1984 года охарактеризовать сложившуюся ситуацию следующим образом: «Как-то получилось, что исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости оказались немодными (слово «мода» здесь с полным основанием употребляется без кавычек, ибо в научной деятельности и научной среде именно мода играет иногда большую роль). Трудно чего-то добиться уговорами. Обычно лишь какой-то явный успех (или сообщение в печати, пусть и неточное, о таком успехе) может совершенно, и притом быстро, изменить ситуацию. Почувствовав «запах жареного», вчерашние скептики или даже хулители способны превратиться в рьяных сторонников нового направления. Но это другая тема — скорее из области психологии и социологии научной и технической деятельности.
Короче говоря, поиски высокотемпературной сверхпроводимости, особенно при существующих неясностях в области теории, вполне могут привести к неожиданным результатам, к открытиям». Не ожидал я, конечно, что всего через два года это «предсказание» сбудется... Оно сбылось не только в том отношении, что были получены ВТСП с Tc > Tb, N2 = 77,4 K, но и, так сказать, в социальном плане: как упоминалось, начался настоящий «бум»1.

Сверхпроводящий бум

Вот как описывала конференцию Американского физического общества, состоявшуюся в Нью-Йорке 18–19 марта 1987 года, одна из американских газет: «Физики трех континентов предприняли атаку на один из нью-йоркских отелей, чтобы стать участниками созванной на скорую руку конференции, посвященной цепочке открытий, которые, возможно, повлекут за собой целый каскад коммерческих применений в электротехнике и электронике.

Двери конференц-зала открылись в среду ранним вечером перед ревущей, блистающей всеми красками толпой, внезапно потерявшей всё свое профессорское достоинство. В течение трех минут она заполнила все 1200 мест для сидения, после чего около тысячи физиков набилось в проходы между рядами и заняло места у простенков зала. Сотни других сражались у дверей за право войти».

Далее в газете небывалый ажиотаж среди участников конференции сравнивается с поведением зрителей знаменитого фестиваля рок музыки. Похожая атмосфера царила тогда и в других центрах физики. У нас в Москве, чтобы сдержать людей, стремившихся 26 марта 1987 года попасть на сессию Отделений общей физики и астрономии и ядерной физики АН СССР, впервые за всю историю сессий пригласили дружинников.

Сделанные открытия были не единичны и не случайны. К тому времени были обнаружены не просто новые соединения, а новые классы высокотемпературных сверхпроводников. Уже к лету 1987 года удалось получить хорошие сверхпроводящие образцы с резким переходом при температуре, превышающей 90 К. На 1 января 2006 года рекорд критической температуры при нормальном давлении составляет 138 К (соединение Hg–Ba–Ca–Cu–O(F), керамика с частичным замещением кислорода фтором, 2003 год). При повышении давления до 400 кбар достигнут результат в 166 К в том же соединении2.

Представление о том, что сверхпроводимость есть явление, принципиально присущее лишь узкому температурному диапазону вблизи абсолютного нуля, было полностью разрушено. Более того, новыми сверхпроводниками оказались оксидные керамики, для которых более характерны диэлектрические или полупроводниковые свойства. Количество работ и публикаций, посвященных сверхпроводимости, возросло на порядок. Особенно значительным поток сообщений был в первые месяцы после сообщения об открытии ВТСП. Все стремились «застолбить» свой участок на новом поле открытий. О том, насколько далеко заходит дело, можно судить по такой истории: руководитель крупной американской лаборатории принес в редакцию физического журнала статью об открытии нового высокотемпературного сверхпроводника и потребовал, чтобы с рецензентов, которые будут знакомиться со статьей, взяли подписку о неразглашении сведений до ее выхода в свет. Потом выяснилось, что он к тому же исказил формулу вещества и исправил ее в последний момент. Но самое любопытное: вещество с ошибочной формулой тоже оказалось высокотемпературным сверхпроводником. Многие хотят быть первыми: ставки велики...

Конечно, приятно сказать, что сделано выдающееся открытие и этому все рады. Но дело обстоит не совсем так. С тех пор как в 1973 году была получена температура Tc = 24 К для соединения Nb3Ge, этот параметр до 1986 года не удавалось увеличить ни на один градус. За последующие с 1986-го полтора года максимальная температура подскочила в несколько раз. Впрочем, во второй половине XX века в физике были сделаны существенно более фундаментальные открытия, которые не вызывали и доли такого общественного резонанса. Назовем для примера открытия новых элементарных частиц, открытие пульсаров. В простом увеличении критической температуры еще ничего принципиально нового нет. (Полученные результаты не сводятся к одной температуре, но до широкого круга доходят почти только сообщения о повышении Tc.)

Главная причина бума в другом: возможность охлаждать сверхпроводники жидким азотом вместо жидкого гелия сулит существенный экономический эффект. Стоимость жидкого гелия примерно на три порядка превышает стоимость жидкого азота. Более того, для охлаждения одинаковых масс требуется на порядок меньшее количество азота (у него теплота парообразования значительно выше, чем у гелия). Добавьте также значительное упрощение и удешевление всей криогенной аппаратуры.

Как видите, есть за что сражаться. А главное, исследования продолжаются, и никто не доказал, что температуру нельзя поднять еще выше. Это настолько заманчиво, что периодически появляются (пока недостоверные) сообщения о наблюдении указывающих на сверхпроводимость эффектов при самых разных — вплоть до комнатной — температурах.

«Уровень шума»

Есть еще одно удивительное обстоятельство, которое тоже способствовало сверхпроводящему буму. Оказалось, что новые сверхпроводники отнюдь не являются какими-то экзотическими веществами, их можно приготовить в любой физической или химической лаборатории. Конечно, параметры сверхпроводимости сильно зависят от условий приготовления, достичь рекордных значений не так просто, но продемонстрировать сверхпроводимость при азотной температуре возможно теперь даже в школьных опытах.

После начала сверхпроводящего бума были просмотрены публикации прошлых лет и было обнаружено, что вещества, оказавшиеся высокотемпературными сверхпроводниками, уже попадали в орбиту исследователей. В частности, в 1978 году в Институте общей и неорганической химии АН СССР было получено соединение как раз состава La–Sr–Cu–O. Но тогда авторам не пришло в голову проверять его на сверхпроводимость, и только через 9 лет образцы «достали с полки» и убедились, что это сверхпроводник.

В середине ХХ века американский фантаст Р. Ф. Джоунс написал рассказ «Уровень шума». (Он опубликован на русском языке в 1967 году, в 10-м томе «Библиотеки современной фантастики».) Сюжет рассказа такой: собирается секретное совещание большой группы ученых — физиков и математиков. На совещании сообщается, что некто изобрел антигравитационный аппарат. Были проведены его испытания, во время которых испытатель и аппарат погибли. Участникам совещания предъявляют бесформенные обломки аппарата и звукозаписи (с большими помехами), некоторые другие данные — и ставится задача воспроизвести результат.

До совещания все его участники были убеждены, что антигравитация принципиально невозможна, а тут они волей неволей убеждаются в обратном. Меняется их отношение к проблеме, и начинается работа. В итоге новый аппарат создан. После этого выясняется, что первоначальное совещание и все представленные данные — тщательно задуманный обман. Никакого изобретателя, никакого аппарата не было. Была идея разрушить предубежденность или, как пишет автор рассказа, повысить «уровень шума».

Нам кажется, что нечто подобное произошло и со сверхпроводимостью. В течение длительного времени все поиски приводили всё в ту же область температур. Распространились довольно правдоподобные суждения, что иначе и быть не может, что критическая температура Tc сверхпроводимости принципиально не поднимается выше 30 К. И хотя в 1970-е гг. было показано, что никаких принципиальных ограничений на Tc нет, большинство физиков всё же не верило в существование высокотемпературных сверхпроводников. Их поиски были «не в моде».

Статья Г. Беднорца и А. Мюллера послужила катализатором, поднявшим «уровень шума». Неверие превратилось в веру, которая, будучи подкреплена ассигнованиями, дала и продолжает давать великолепные результаты. В частности, в 2001 году была обнаружена сверхпроводимость такого соединения, как MgB2, с рекордной для бинарных бескислородных соединений критической температурой Tc примерно 40 К. Да, сейчас такое абсолютное значение этого показателя не звучит так, как это было бы в 1986 году, но ведь никто не удосужился проверить «на сверхпроводимость» столь простое соединение в свое время.

Путеводная звезда

Открытие ВТСП — событие не менее «экономическое», чем физическое. Неудивительно, что одним из первых результатов сверхпроводящего бума было увеличение объема продаж на рынке «обычной» или низкотемпературной сверхпроводящей техники.

ВТСП-материалы оказались не очень удобными для применений, провода и устройства из новых материалов поступают на рынок значительно более медленно, чем казалось в конце 1980-х гг. Однако самым важным, на наш взгляд, является другое — убежденность в том, что эти устройства будут таким же обыденным элементом техники, как и многое уже вошедшее в наш быт. Сверхпроводимость позволяет резко уменьшить потери при электропередаче — и это обязательно будет сделано. Сверхпроводимость позволяет резко уменьшить потери при преобразовании электроэнергии — и в начале ХХI века сверхпроводящие трансформаторы продаются как стандартные устройства. С середины 1990-х гг. начали применяться на практике накопители энергии на основе сверхпроводящих соленоидов — устройства, позволяющие сгладить колебания нагрузки и последствия кратковременных отключений в электрических сетях.

В Японии и в странах Европейского Союза ведутся разработки опытных образцов железной дороги со сверхпроводящей магнитной подвеской. Идея была высказана довольно давно, просто до 1986 года никто не брался за ее осуществление. Суть ее в том, чтобы поезд двигался без колес. По-видимому, такой способ движения может обеспечить более высокие скорости движения, чем теперь. Держать же вагон над дорогой и двигать его вперед должно магнитное поле, которое создают установленные в дне вагона сверхпроводящие магниты. Железнодорожный путь представляет собой полосу из уложенных перпендикулярно движению металлических стержней, в которых наводится управляемая с помощью компьютера волна тока, бегущая под вагоном и перед ним. Взаимодействие тока с магнитным полем одновременно тянет вагон вперед и поддерживает просвет между дном вагона и дорогой.

Первое испытание опытного поезда, использующего уже ВТСП-магниты, состоялось в Японии 7 декабря 2005 года. Поезд развил скорость более 500 км/ч (рекорд скорости поезда с магнитной левитацией (MAGLEV) на 01.01.06 составляет 581 км/ч), просвет составил около 10 см. Это достижение характерно именно для Японии, где в течение длительного времени ведутся разработки всех технологий для сверхскоростных железных дорог. По-видимому, использование для сверхскоростных железных дорог принципа магнитной подвески и сверхпроводящих магнитов более перспективно, чем применение реактивных двигателей и воздушных подушек. Есть надежда, что вновь создаваемые устройства будут давать минимум шума и теплового и химического загрязнения воздуха.

В заключение мы хотели бы обратить внимание на то, что в области исследования фундаментальных свойств сверхпроводимости есть «путеводная звезда». Это встречается далеко не часто, чтобы можно было сформулировать цель, которая одновременно была бы понятна и людям, совершенно не сведущим в деталях исследований.

Такая цель — достижение комнатно-температурной сверхпроводимости (КТСП). Да, сейчас никто не знает, как это сделать. Но неизвестно и существование принципиальных ограничений. Скажем, до сих пор неясно, какой вклад в увеличение критической температуры могут внести иные, чем электрон фононный, механизмы спаривания электронов. Очевидно, впрочем, что само направление исследований должно быть иным. До сих пор физики искали новые сверхпроводники среди природных соединений. По-видимому, в будущем они перейдут к созданию искусственных веществ — носителей нужных свойств и качеств. Это уже происходит, подобный прорыв произошел в полупроводниковой электронике и оптоэлектронике. А в будущем все рекорды природных веществ по прочности, упругости, стойкости к любого рода воздействиям будут побиты. Тоже, надеемся, будет касаться и рекорда критической температуры сверхпроводимости. Уже сейчас проглядывают возможности «поатомной» сборки искусственных неоднородных структур,широко используемой в полупроводниковых технологиях, именно там и лежит секрет КТСП.

Как сделать высокотемпературный сверхпроводник в школьной лаборатории

По крайней мере один материал из числа ВТСП-сверхпроводников вы вполне можете изготовить под руководством учителя физики или руководителя кружка. Всем, кто заинтересуется возможностью демонстрировать самодельные сверхпроводники, было бы полезно прочитать заметки Поля Гранта, опубликованные в журнале New Scientist (1987. Vol. 115,№1571. P. 36–39). Он пишет, как лаборатория фирмы IBМ, где он работает, помогала учителям и школьникам ставить химические и физические опыты с высокотемпературными сверхпроводниками. Ниже мы полностью приводим рецепт изготовления такого сверхпроводника, который написала дочь П. Гранта, которая в 1987 году была школьницей.

Конечно, в наших школах осуществить описываемые ниже опыты сложнее. Многие компоненты и инструменты нам менее доступны.

Итак, прежде всего мы предлагаем научиться изготовлять сверхпроводник состава Y–Ва–Сu–О. В качестве исходных компонентов понадобятся оксид иттрия Y2O3, углекислый барий ВаСО3 и оксид меди СuО.

Рецепт

1. Возьмите 1,13 г оксида иттрия, 3,95 г углекислого бария, 2,39 г оксида меди.

2. Перемешайте, а затем растолките в порошок в ступке.

3. Получившуюся смесь отожгите — продержите в печи при температуре 950°C приблизительно 12 ч.

4. Охладите полученный комок и вновь растолките его в ступке.

5. Спрессуйте порошок в таблетки (может быть, впоследствии для проведения каких-либо опытов понадобятся другие формы, например кольца).

6. Снова отожгите получившиеся таблетки при той же температуре и в течение того же времени, однако теперь с обязательной подачей в печь кислорода.

7. Медленно охладите таблетки — скорость понижения температуры не должна превышать 100°C/ч.

Замечания по технике безопасности

Как сам материал сверхпроводника Y–Ва–Сu–О, так и исходные компоненты не относятся к числу ядовитых веществ. Однако при работе с ними необходимо соблюдать определенные правила. Нужно использовать защитные очки, перчатки, а при измельчении компонентов в ступке обязательно надевать марлевые повязки на рот. Вдыхать пыль углекислого бария и окcида меди вредно. Проводите все операции в помещении, оборудованном вытяжкой. Это, впрочем, обязательный элемент оборудования любой химической лаборатории, в том числе школьной.

Замечания к рецепту

Указанные количества исходных компонентов позволяют получить около 7 г сверхпроводника Y–Ва–Сu–О, или около 5 таблеток диаметром 1 см и толщиной 1 мм. Далее мы расскажем об опытах, которые можно провести с ними, а сейчас о некоторых трудностях, встречающихся при изготовлении.

Исходные компоненты не относятся к редким. Их наверняка можно получить в различных научных учреждениях, а также на многих предприятиях.

Изготовить описываемый сверхпроводник можно по более простой схеме и из других компонентов, однако лучше начинать с приведенного рецепта. Для отжига можно использовать печь, предназначенную для изготовления керамики. Такие печи есть во многих кружках керамики и в художественных студиях. Дело в том, что изготовляемый сверхпроводник так же представляет собой керамику, как и некоторые знакомые предметы домашнего обихода. Только нам нужна керамика-металл, поэтому таблетки будут получаться другого цвета — черные.

Цвет керамического сверхпроводника — важный показатель его качества. Если он получается с прозеленью, значит, опыт был неудачен и всё надо начинать сначала (при этом можно вновь измельчить полученные таблетки). Зеленый цвет свидетельствует о недостатке кислорода в образце. Желательно получить материал с химической формулой YBa2Cu3O7. Однако контролировать содержание кислорода по исходной смеси невозможно, к тому же кислород способен улетучиваться в процессе изготовления. Так что подача кислорода в печь при отжиге существенна. Сам кислород можно получить в научных, медицинских, производственных организациях (он используется, например, при сварке). Для подачи его в печь можно применить насос, который служит для накачки воздуха в аквариум. Скорость подачи кислорода может быть минимальной, скажем, такой, чтобы кожа ощущала легкое дуновение газа.

Довольно существенно поддержание температуры отжига. Работа будет бесполезной, если температура отжига опускается ниже 900°C. Превышение рабочей температуры на 100°C приведет к расплавлению смеси. Тогда придется ее вновь растолочь и начать всё сначала. Поэтому надо предварительно проверить термометр печи, обычно он показывает значения, далекие от истинных.

Очень важно медленно охлаждать изготовленные таблетки — быстрое охлаждение ведет к потере кислорода. Первоначально цикл отжиг — охлаждение будет занимать 20 ч. Необходимо организовать ночные дежурства.

При изготовлении понадобится также пресс. Оценка показывает, что нужно развивать усилие 7000 кг на таблетку диаметром около 1 см, чтобы получить хороший образец. По-видимому, таблетки можно прессовать даже с помощью самодельного винтового пресса.

Стоит обратить внимание также на выбор тигля, в котором отжигается материал. Металлический тигль может реагировать со сверхпроводником, что иногда может привести к нежелательным последствиям. К тем же последствиям могут привести примеси в смеси исходных материалов. Например, 2–3% примеси атомов железа вместо меди ведут к подавлению сверхпроводимости.

Что делать с изготовленными таблетками?

Конечно, можно убедиться в резком падении сопротивления при сверхпроводящем переходе. Однако с помощью стандартных приборов школьной лаборатории вряд ли удастся по значению сопротивления отличить сверхпроводящий образец от медного. Гораздо нагляднее демонстрация эффекта Мейснера.

В любом случае для охлаждения понадобится жидкий азот. Его можно попросить в физических институтах. Сейчас он применяется довольно широко — и в медицине, и даже в кондитерской промышленности. Личный опыт одного из авторов показывает, что жидкий азот можно транспортировать (общественным транспортом) и хранить в обычном бытовом термосе со стеклянной колбой. (Ни в коем случае не закрывать термос крышкой!) Нельзя, однако, гарантировать, что такая колба не лопнет при наливании жидкого азота.

Непосредственно для опытов удобно наливать азот в неглубокие пенопластовые кюветы (можно использовать для этого пенопластовые крышки от упаковки приборов и некоторых бытовых изделий). В жидкий азот нельзя совать пальцы, в остальном же он практически безопасен в работе.

Простейший опыт состоит в том, что неохлажденная в азоте таблетка спокойно лежит на магните, никак не реагируя на магнитное поле, а охлажденная висит над ним. Можно придумать различные варианты этого опыта, в том числе весьма впечатляющие.

Положение таблетки над одним полюсом магнита неустойчиво (рис. 41). Она как бы находится на вершине скользкой горки и довольно легко соскальзывает вбок. Из нескольких магнитов можно устроить такую конфигурацию магнитного поля, чтобы таблетка находилась как бы в «ложбинке». Тогда таблетку можно не только подвесить, но и закрутить в воздухе. Поскольку трение о воздух мало, таблетка крутится до тех пор, пока повышающаяся температура не достигнет Tc. Тогда таблетка просто упадет на магниты.

Рис. 41. Варианты демонстрации эффекта Мейснера: а – зеленая таблетка сверхпроводника висит над постоянным магнитом. Ее положение над полюсом неустойчиво, она норовит соскользнуть вбок; б – устройство магнитной «ложбинки». Рисунок представляет собой как бы разрез магнитного поля в одной плоскости; в – эскиз длинной «ложбинки», вдоль которой таблетка может свободно двигаться. Если края «ложбинки» приподняты, то таблетка будет колебаться из конца в конец и мы получим маятник
Рис. 41. Варианты демонстрации эффекта Мейснера: а — зеленая таблетка сверхпроводника висит над постоянным магнитом. Ее положение над полюсом неустойчиво, она норовит соскользнуть вбок; б — устройство магнитной «ложбинки». Рисунок представляет собой как бы разрез магнитного поля в одной плоскости; в — эскиз длинной «ложбинки», вдоль которой таблетка может свободно двигаться. Если края «ложбинки» приподняты, то таблетка будет колебаться из конца в конец и мы получим маятник

Еще более эффектные опыты можно провести при более сложной конфигурации магнитного поля. Если устроить длинную «ложбинку», то таблетка сможет двигаться вдоль нее при малейшем толчке и совершать довольно длинные путешествия по извилистой дорожке. После охлаждения в жидком азоте таблетка сохраняет сверхпроводимость на воздухе при комнатной температуре около минуты. Более длительные опыты нужно проводить в парах жидкого азота. С точки зрения удобства охлаждения левитацию проще демонстрировать «наоборот»: подвешивать кусочек магнита над лежащей в кювете с жидким азотом таблеткой сверхпроводника.


1 Полностью Нобелевскую лекцию В. Л. Гинзбурга можно прочесть в книге: Гинзбург В.Л. О сверхпроводимости и сверхтекучести. Автобиография. М.: Физматлит, 2006, а также в интернете на сайте «Успехи физических наук»: «О сверхпроводимости и сверхтекучести (что мне удалось сделать, а что не удалось), а также о «физическом минимуме» на начало XXI века» (PDF, 1,22 Мб).

2 Этот результат достигнут в Московском государственном университете Е. В. Антиповым с коллегами.


Комментарии (3)


Комментировать
 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия