Сверхпроводимость отмечает столетний юбилей

Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом (Gerrit Flim) в своей лейденской лаборатории, ок. 1911. Фото из обсуждаемой статьи в Physics Today

Великие научные открытия нередко делаются в процессе осуществления вполне традиционных исследовательских проектов. Именно это произошло 8 апреля 1911 года в криогенной лаборатории Лейденского университета, которую семнадцатью годами ранее основал и возглавил профессор экспериментальной физики Хейке Камерлинг-Оннес (Heike Kamerlingh Onnes). Вместе с ассистентами Корнелисом Дорсманом (Cornelis Dorsman) и Гиллесом Хольстом (Gilles Holst) он изучал электрические свойства металлов, охлажденных до температур жидкого гелия. В тот судьбоносный день исследователи обнаружили, что тонкий провод из сверхчистой ртути при охлаждении до 3 градусов Кельвина практически перестает сопротивляться электрическому току.

Камерлинг-Оннес прекрасно знал, что его открытие не поддается объяснению с точки зрения тогдашних физических теорий. Его главный — и очень глубокий — вывод состоял в том, что ртуть перешла в новое состояние, которое он назвал сверхпроводящим. Этот термин впервые появился в записных книжках Камерлинг-Оннеса; потом, в начале 1913 года, в его журнальной статье, а через несколько месяцев и в Нобелевской лекции. С тех пор он занимает почетное место в языке физики.

Было бы смешно подробно повествовать читателям «Элементов» о том, что такое сверхпроводимость и какими великими последствиями обернулось для науки ее открытие. Достаточно отметить, что это было первое физическое явление чисто квантовой природы, обнаруженное при исследовании макроскопического объекта (если не считать замеченного чуть раньше аномального поведения теплоемкости при очень низких температурах, которое, однако, поначалу не вызывало особых подозрений на необычность).

Последующее изучение этого феномена не только обогатило теоретическую и экспериментальную физику твердого тела, но и стимулировало серьезные прорывы в других областях физической науки (например, концепция спонтанного нарушения симметрии, играющего гигантскую роль в теории элементарных частиц, релятивистской астрофизике и космологии, была впервые сформулирована именно в контексте теории сверхпроводимости). Сверхпроводящими магнитами (кстати, первый такой прибор был изготовлен в лаборатории Камерлинг-Оннеса еще в 1913 году) в наши дни оснащено великое множество установок — от приборов для магнитно-резонансной томографии до сверхмощных ускорителей. Если не замедлится прогресс в создании высокотемпературных сверхпроводящих материалов, они займут достойное место и в энергетике.

А вот история великого открытия Камерлинг-Оннеса со товарищи известна куда меньше (справедливости ради нельзя не отметить, что в том эксперименте сопротивление ртутного образца измерял Гиллес Хольст, в будущем основатель и первый директор знаменитой Физической лаборатории фирмы «Филипс» в Эйндховене). Сейчас по случаю юбилея самое время ее вспомнить.

Физика низких температур в то время была еще очень молодой наукой. Можно сказать, что она началась в 1877 году, когда французский инженер Луи Кайете (Louis Paul Cailletet) и швейцарский физик Рауль Пикте (Raoul Pictet) разными способами выполнили ожижение кислорода. Шестью годами позже краковские исследователи Зигмунт Врублевски (Zygmunt Wróblewski) и Кароль Ольшевски (Karol Olszewski) проделали ту же операцию с азотом. Жидкий водород был получен только в 1898 году. Его получил шотландский физик Джеймс Дьюар (James Dewar), изобретатель вакуумного криостата, он же сосуд Дьюара.

Камерлинг-Оннес включился в гонку за движение к абсолютному нулю температур в 1893 году. Используя связи с голландскими промышленниками, он устроил в своем университете лучшую в мире криогенную лабораторию, оснащенную самым современным оборудованием. Там он 10 июля 1908 года первым перевел в жидкое состояние гелий, точнее его основной изотоп гелий-4 (впрочем, о существовании гелия-3 тогда никто не догадывался). Затем в течение двух лет Камерлинг-Оннес и его сотрудники использовали сжиженный гелий для получения всё более низких температур и в конце концов дошли до 1 кельвина (критическая температура гелия-4 равна 5,2 К). Поскольку спуститься еще ниже с  помощью тогдашних технологий не представлялось возможным, Камерлинг-Оннес переключился на исследование свойств различных веществ при сверхнизких температурах. Одним из пунктов его программы было измерение электропроводности металлов.

Эта проблема считалась интересной, но вроде бы не обещала особых неожиданностей. Тогдашние доквантовые теории утверждали, что удельное сопротивление металла пропорционально квадратному корню температуры. Однако низкотемпературные эксперименты этого не подтверждали и вообще не давали ясной картины. Многие физики вслед за великим лордом Кельвином даже полагали, что около абсолютного нуля свободные электроны застывают вблизи атомов и потому уже не могут двигаться под действием электрического поля. Отсюда следовало, что при предельно низких температурах металлы вообще перестают проводить электричество.

Одно время к этой точке зрения склонялся и Камерлинг-Оннес — но только до своей победы над гелием. Позднее он заключил, что вблизи абсолютного нуля амплитуда рассеивания электронов на атомах (точнее, ионах) кристаллической решетки будет падать с температурой настолько быстро, что электрическое сопротивление чистого металла всё же должно стремиться к нулю. Однако Камерлинг-Оннес не сомневался в том, что оно обязано снижаться постепенно, а отнюдь не скачкообразно.

Первые эксперименты вполне подтверждали эту гипотезу. В конце 1910 года Камерлинг-Оннес, Дорсман и Хольст промерили температурную зависимость сопротивления платиновой проволоки при охлаждении жидким гелием. Оказалось, что оно сначала падает вместе с температурой, а ниже 4,25 К делается постоянным. Это остаточное сопротивление Камерлинг-Оннес объяснил тем, что платина была не вполне чистой, так что содержащиеся в ней примеси поддерживали рассеивание электронов и тем самым препятствовали дальнейшему росту электропроводности.

В следующих опытах он решил использовать максимально очищенный металл, каковым в то время была ртуть, которую можно было избавить от примесей посредством двойной перегонки. Для этой серии экспериментов он уже имел более совершенный криостат, который еще предстояло опробовать. Этот прибор как раз и был пущен в работу 8 апреля 1911 года.

А дальше вмешался Его Величество Случай. В тот день экспериментаторы хотели всего лишь проверить, как новый криостат заполняется жидким гелием, и даже не планировали электрических измерений. Однако перед этим в установку на всякий случай поместили газовый термометр и два резистора, один из золота, другой из ртути. Поскольку заполнение криостата прошло без осложнений, экспериментаторы решили действовать по полной программе. Измерив сопротивление обоих металлов при 4,3 К, они начали снижать давление пара внутри криостата. Жидкий гелий стал быстро испаряться, уменьшая свою температуру. Когда она упала примерно до 3 К, сопротивление резисторов измерили вновь. Это произошло в 4 часа дня, через 9 часов после начала эксперимента. Как с удивлением отметил в лабораторном журнале Камерлинг-Оннес, сопротивление ртутного резистора стало практически нулевым. Именно так и была открыта сверхпроводимость.

Страница из записной книжки Хейке Камерлинга-Оннеса, свидетельствующая о первом наблюдении сверхпроводимости. В рамку взята голландская фраза Kwik nagenoeg nul — «Сопротивление ртути практически нулевое» (3 К). Следующее предложение Herhaald met goud означает «Повторено с золотом». Из коллекции Музея Бургаве (Museum Boerhaave) в Лейдене. Фото из обсуждаемой статьи в Physics Today

Критическая температура перехода ртути в сверхпроводящее состояние в тот день еще не была определена, да такой задачи и не ставилось. Ее выяснили в следующем эксперименте, проведенном 11 мая. Камерлинг-Оннес тогда пришел к выводу, что ртуть делается сверхпроводником при охлаждении до 4,2 К. Точности ради надо отметить, что его группа использовала не вполне адекватную температурную шкалу, и на самом деле чистая ртуть переходит в сверхпроводящее состояние при 4,15 К. Именно это значение сейчас фигурирует в физических справочниках.

А дальше была работа, работа и опять работа. В 1912 году лейденские физики нашли еще два сверхпроводника — свинец и олово. В январе 1914 года они обнаружили, что достаточно сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. В том же году они выполнили эффектный эксперимент, который показал, что индукционный ток, возбужденный в свинцовом сверхпроводящем кольце, циркулирует на протяжении часов без малейшего затухания. В 1919 году из Лейдена пришла весть, что сверхпроводниками становятся таллий и уран. Но мы уже далеко ушли от 1911 года, пора и остановиться.

В заключение еще один малоизвестный факт. Альберт Эйнштейн никогда специально не занимался сверхпроводимостью, однако оставил о ней любопытное замечание. В 1922 году он отметил, что для ее исследования пока что приходится полагаться только на эксперименты, поскольку «мы еще далеки от понимания квантовой механики сложных систем». Насколько мне известно, это было первое появление термина «квантовая механика» в научной литературе.

Источники:
1) Dirk van Delft, Peter Kes. The discovery of superconductivity // Physics Today. 2010. V. 63. P. 38–43.
2) Per Fridtjof Dahl. Kamerlingh Onnes and the discovery of superconductivity: The Leyden years 1911-1914 // Historical Studies in the Physical Sciences. 1984. V. 15. P 1–38.

См. также:
В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость.

Алексей Левин