Текст книги "Проклятые вопросы"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 23 страниц)

Так обстоят дела в макромире, где царствуют законы классической физики.

В микромире, мире атомов и элементарных частиц, эти законы теряют силу, и их место занимают другие законы квантовой физики. Законы поразительные и в каждом частном проявлении неожиданные и противоречащие всему опыту наблюдений обычного мира.

Для поезда надо строить туннель. Но микрочастицы, подходящие к препятствию, даже те, что не обладают энергией, достаточной для его преодоления, имеют тем не менеё определённую вероятность пройти сквозь него даже при отсутствии какого-либо подобия туннеля.

Слово «вероятность» имеет при этом смысл – «могут преодолеть препятствие после многих неудачных попыток». В большинстве случаев, происходящих в макромире, частица, ударяющаяся о барьер, отражается от него или застревает в нём, как пуля в толстом слое песка. Но в микромире изредка происходит процесс, совершенно немыслимый с точки зрения классической физики: частица, подходя к барьеру, исчезает, а с другой стороны барьера возникает, рождается (тут невозможно найти точное слово) такая же частица, имеющая совершенно ту же скорость, которой обладала исчезнувшая частица.

Физики называют это туннельным переходом. Он совершается без какой-либо затраты энергии. Внутри барьера не остаётся никакого туннеля, никакого следа. Процесс исчезновения и рождения частицы происходит вне барьера. Таково свойство микромира. К этому нужно привыкнуть!

Это не чудо, а реальный процесс. Его вероятность уменьшается, если энергия, нужная для преодоления барьера классическим путём – путём подъёма на барьер, увеличивается.

После этого отступления давайте обратимся к рассказу Гиавера, который он адресовал тем, кто присутствовал при вручении ему Нобелевской премии.

Он сказал: «В одной из газет Осло я недавно обнаружил следующий заголовок – ”Мастер по биллиарду и бриджу, едва не провалившийся на экзамене по физике, получает Нобелевскую премию». Речь шла о моих студенческих годах в Трондхейме. Должен сознаться, что это сообщение не лишено оснований, поэтому я не только не буду пытаться делать вид, что этого не было, но признаюсь также, что я чуть не провалился и по математике. В те дни меня не очень интересовали инженерное дело и учёба вообще».

Гиавер всё же окончил университет, но в поисках работы ему пришлось покинуть Норвегию. Он поступил на работу в канадскую фирму «Дженерал электрик». Ему предложили пройти трёхгодичный курс инженерного дела и прикладной математики.

«На этот раз, – сказал он, – я понял, что к делу надо относиться серьёзно, поскольку это, возможно, мой последний шанс…» Ему поручили работать с тонкими плёнками, о которых он не имел понятия. Но ему повезло. Он был связан по работе с Д. Фишером. Тот тоже начинал как инженер, но заинтересовался теоретической физикой. От Фишера он услышал о туннельных переходах, возможных в таких плёнках.

В это время Гиавер только одолевал квантовую механику. «Поэтому, – сказал он, – представление о том, что частица может проходить сквозь барьер, казалось мне чем-то удивительным. Для инженера весьма странно звучит утверждение, что если вы будете бросать теннисный мяч в стену достаточное число раз, то он в конце концов пройдет сквозь стену, не разрушив ее и не разрушившись сам». «Да, – продолжал он, – трудный путь лежит к Нобелевской премии! Фокус, конечно, состоит в том, чтобы использовать очень маленькие мячи и взять их много». Точнее, скажем мы, это должны быть не маленькие мячи, а микрочастицы, например электроны, подчиняющиеся законам квантовой физики.

Гиавер и Фишер начали изучать процесс перехода электронов через энергетический барьер. Это была трудная задача. Первые опыты кончились неудачей. Но «в конце концов мы оба понимали кое-что в технике».

Они попытались реализовать энергетический барьер при помощи тончайшей полимерной плёнки, разделяющей два металла. «Однако в таких плёнках неизбежно имеются маленькие дырочки…» Эти микроскопические, но реальные туннели препятствовали опытам. Друзья решили изготавливать изолирующие плёнки, испаряя металлы в вакууме и конденсируя их пары на удобных подложках. Нанеся первый слой, они окисляли его поверхность. При этом возникал тонкий изолирующий слой окисла. Затем напыливали второй слой металла. Теперь опыты стали воспроизводимыми. Всё шло согласно квантовой теории, с которой Гиавер уже познакомился. Он знал, что электроны иногда ведут себя не как частицы, а как волны, и свыкся с тем, что они способны проходить сквозь энергетический барьер.

Дни шли за днями, заполненными увлекательными опытами.

«В то время мне казалось странным, – вспоминал Гиавер, – получать зарплату, занимаясь тем, что я считал просто забавой, и совесть моя была неспокойна. Но, как и в случае с изучением квантовой механики, вы постепенно привыкаете, так что теперь я отстаиваю противоположную точку зрения: мы не должны жалеть денег на то, чтобы люди занимались чистыми исследованиями».

Продолжая эксперименты, Гиавер изучал физику и дошёл до сверхпроводимости.

«Ясное дело, – сказал он, – я не поверил, что сопротивление падает в точности до нуля, но что действительно привлекло мое внимание, так это упоминание об энергетической щели в сверхпроводнике. Эта щель была одним из центральных пунктов новой теории Бардина, Купера, Шриффера».

Энергетическая щель, о которой говорил Гиавер, это частный случай энергетического барьера. В металлах энергетической щелью называют разность между энергией электронов, остающихся в составе атомов (точнее, в составе ионов), образующих решётку металла, и энергией, присущей электронам, участвующим в образовании электрического тока сквозь этот металл. Энергетическая щель – это совокупность значений энергии, которую не может иметь ни один электрон в металле. Поэтому, увеличивая энергию электрона, невозможно плавно перевести его через энергетическую щель. Но в соответствии с квантовыми закономерностями он может преодолеть энергетическую щель посредством туннельного перехода.

«Я никогда не делал экспериментов, где бы требовались низкие температуры и жидкий гелий – они казались мне чересчур сложными. Однако, – продолжал Гиавер, – чем хорошо работать в большой лаборатории?.. Вокруг вас всегда имеются люди, хорошо осведомлённые почти в любой области».

Гиавер изготовил плёнку из алюминия, дал её поверхности окислиться, нанёс на неё плёнку свинца, а затем прикрепил к обеим плёнкам тонкие проводники.

Пройдя по коридору, чтобы посоветоваться с У. де Сорба, Гиавер сделал небольшую установку для работы с жидким гелием, поместил в неё свои плёнки, вывел проводники наружу и залил в установку жидкий гелий. Вспомним, что температура жидкого гелия равна 4,2 К. Неудивительно, что плёнка свинца стала сверхпроводящей. Ведь она становится сверхпроводящей уже при более высокой температуре +7,2 К. Плёнка алюминия осталась в обычном состоянии, так как алюминий становится сверхпроводником при более низкой температуре –1,2 К.

После ряда неудачных попыток (плёнки окисла получались слишком толстыми) ему удалось достигнуть успеха – создать плёнки толщиной в 30*10^-6 сантиметров. При этом уже можно было надеяться зафиксировать прохождение электронов сквозь энергетический барьер.

Вот что говорит учёный о своей работе: «Для меня самый волнующий момент в любом эксперименте наступает как раз перед тем, как я должен узнать, является ли определённая идея правильной или нет? Таким образом, даже неудача волнует, и должен сознаться, что большинство моих идей были, конечно, неправильными. Но на этот раз идея работала! Это было потрясающе! Я немедленно повторил свой опыт с другим образцом – тот же результат! Ещё один образец – и опять тот же результат! Всё говорило о том, что я прав! Но как убедиться окончательно?»

Следовало проверить, как влияет на результат магнитное поле. Гиавер знал, что сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Теперь он прошёл через всё здание, чтобы прибегнуть к помощи И. Жакобса, изучавшего магнетизм при низких температурах. В магнитном поле, превышающем 2400 гаусс, эффект исчезал.

Чем ещё хорошо работать в большом коллективе? – продолжим мысль Гиавера. Кто-нибудь объяснит тебе, что же ты сделал. И на этот раз нашёлся сотрудник – Ч. Бин, который объяснил Гиаверу всё значение его экспериментов. И распространил это по всей лаборатории.

«Помню, меня беспокоил тот факт, что величина щели, которую я измерил, не совсем согласовывалась с более ранними измерениями. Бин успокоил меня, сказав, что отныне другие люди должны будут беспокоиться о том, чтобы их измерения согласовывались с моими, что мой эксперимент станет эталоном, – я был польщён и впервые почувствовал себя физиком».

Обдумывая свои опыты, Гиавер пришёл к выводу, что туннельный переход между двумя сверхпроводниками должен обладать ещё более интересными свойствами.

Теперь ему пришлось перейти в соседнее здание, где работали при ещё более низких температурах. Там он восстановил старую установку, заброшенную, когда появились более совершенные. Она была вполне пригодна для его целей.

Идея сработала сразу. Как только при температуре 1,2 К превратился в сверхпроводник не только свинец, но и алюминий, стало ясно, что при этой температуре комбинация «сверхпроводник – диэлектрик – сверхпроводник» может служить основой для создания электронных устройств.

Гиавер продолжал интенсивно работать, привлекая к экспериментам то одного, то другого сотрудника.

После многих экспериментов, подтверждавших теорию Бардина, Купера и Шриффера, возникло неожиданное явление. На кривой (на экспериментальном графике) появились изгибы, не совместимые с этой теорией.

«Мы были счастливы потому, что всё, что давали до сих пор туннельные эксперименты, полностью подтверждало теорию БКШ (так физики для краткости называют теорию Бардина, Купера и Шриффера. – И. Р.), а это совсем не то, что хотелось бы экспериментатору. Всякий экспериментатор мечтает показать, что общепризнанная теория неправильна, и в данном случае мы попали-таки в слабое место теории… Однако, как это часто случается, теоретики обратили наши результаты против нас. Они ловко использовали наличие изгибов на кривых, соответствующим образом обобщили теорию и доказали, что теория БКШ в действительности является правильной».

Любовь к переменам не изменила Гиаверу и на сей раз. Посчитав, что туннелирование в сверхпроводниках понято в основной своей части, Гиавер заскучал и перешёл к другим исследованиям.

«Затем кто-то познакомил меня с короткой заметкой Б. Джозефсона в журнале “Физикс леттерс” и спросил, что я думаю по этому поводу? Признаюсь, я не понял этой работы, но вскоре мне представился случай познакомиться с Джозефсоном в Кембридже, и эта встреча произвела на меня огромное впечатление. Один из эффектов, предсказанных Джозефсоном, состоял в том, что через барьер из окисла может проходить сверхпроводящий ток без падения напряжения, если металлы по обе стороны от барьера являются сверхпроводящими; это так называемый стационарный эффект Джозефсона.

Мы наблюдали этот эффект много раз… Однако у меня было уже готово объяснение этого явления – сверхпроводящий ток шёл по металлической закоротке или мостику. (Имеется в виду реальный туннель, металлический мостик, проходящий через слой окисла и соединяющий между собой оба сверхпроводника. – И.Р.) Таким образом, все образцы, которые показывали эффект Джозефсона, мы отбрасывали как имевшие закоротки. На этот раз я оказался слишком простодушен! С тех пор меня часто спрашивали, не ругал ли я себя за то, что проглядел этот эффект. Я твёрдо отвечаю “нет”, так как, чтобы сделать экспериментальное открытие, мало наблюдать какой-то эффект, нужно также понимать смысл и значение этого наблюдения, а в данном случае я и близко не подошёл к этому. Даже после того как я узнал о стационарном эффекте Джозефсона, мне казалось, что его нельзя отличить от эффекта закороток, поэтому я ошибочно считал, что только так называемый нестационарный эффект Джозефсона подтвердит или опровергнет теорию Джозефсона».

Мы ещё раз нашли подтверждение тому, что «открыть» не значит «увидеть», а значит – «понять»…

В заключительной части своего рассказа Гиавер сказал: «Я считаю, что дорога к научному открытию редко бывает прямой и что для удачи не обязательно быть большим специалистом. Более того, я убеждён, что часто новичок в данной области имеет больше шансов именно потому, что он невежда и не знает всех тех сложных причин, по которым данный эксперимент не следует ставить».

В других выражениях эту мысль ранее высказывал Эйнштейн.

СТУДЕНТ – «НЕУДАЧНИК»

В 1962 году Бриан Д. Джозефсон, студент-дипломник Кембриджского университета, изучая теорию сверхпроводимости, пришёл к удивительному выводу. Общеизвестная теория БКШ выбрала именно его, чтобы сказать ему: если два сверхпроводника разделены тонким диэлектрическим (изоляционным) слоем, то через этот непроводящий слой возможен туннельный переход. Удивительный туннельный переход, через который может протекать электрический ток, даже если к нему не приложено электрическое напряжение!

Ток без напряжения! Почему это так поразило Джозефсона? Ток, сколь угодно долго циркулирующий внутри замкнутого, не имеющего разрывов сверхпроводника без напряжения, приложенного к этому сверхпроводнику, был открыт Камерлинг-Оннесом ещё в 1911 году. Это стало привычным и уже никого не удивляло. При температуре жидкого гелия возможны всяческие чудеса. Много позже теория БКШ объяснила, как это происходит. Стало понятным: электроны, объединившись в пары и образовав коллектив, не испытывают сопротивления своему движению через сверхпроводник. Если нет сопротивления, то ток течёт даже в том случае, если не приложено напряжение.

Но ведь Джозефсон в свой работе натолкнулся на другой случай: на пути тока в сверхпроводнике имелось препятствие – диэлектрик, а каждый знает, что ток не может проходить сквозь диэлектрик.

Почему же диэлектрик в опыте Джозефсона перестал быть изолятором – препятствием для электрического тока?

Теория БКШ, объяснявшая многие тонкости сверхпроводимости, здесь скромно молчала.

В это время Кэмбридж посетил профессор П. В. Андерсон. В своих лекциях он говорил о том, что в сверхпроводниках нарушается обычная симметрия, характерная для электронов в металлах, находящихся в нормальном состоянии. Андерсон обратил внимание слушателей на теорию сверхпроводящего состояния, построенную Л. П. Горьковым, одним из учеников Ландау. В его теории содержится эта же идея.

Идея нарушенной симметрии настолько захватила Джозефсона, что он всё время спрашивал себя, можно ли каким-нибудь образом наблюдать её экспериментально.

Ответ, по существу, основывался на том, что часть из куперовских пар, совокупность которых образует сверхпроводящий ток, может проходить через достаточно тонкий слой диэлектрика.

Это, по существу, соответствует квантовому туннельному переходу частиц через энергетический барьер. При таком переходе частицы не обладают энергией, достаточной для того, чтобы они могли «перевалить» через барьер. Но для каждой из них существует определённая вероятность исчезнуть с одной стороны барьера и одновременно возникнуть с другой его стороны. Это и есть механизм прохождения куперовских пар сквозь энергетический барьер. Конечно, никакого реального проникновения частиц сквозь диэлектрик не происходит. В этом случае реального туннеля не возникает.

Этот эффект – проникновение куперовских пар сквозь потенциальный барьер, образованный тонким диэлектрическим слоем, разделяющим два сверхпроводника, – называют стационарным эффектом Джозефсона.

Стационарный эффект Джозефсона возможен при одном, но жёстком, ограничении. Стационарный джозефсоновский ток может быть только очень слабым и не должен превышать определённого – критического – значения.

Руководитель Джозефсона, профессор Пиггард, предложил ему попытаться обнаружить туннельный сверхпроводящий ток экспериментально. Результат был отрицательным. Тогда профессор Пиггард провёл расчёты, показавшие ему, что вероятность того, что два электрона могут одновременно туннелировать через изолирующий барьер, столь мала, что не приведёт к наблюдаемым эффектам. Он ошибся потому, что провёл расчёт для двух независимых электронов, а его ученик говорил о куперовской паре электронов. Ведь, образуя куперовскую пару, электроны ведут себя как одна частица, проходящая сквозь барьер, как единое целое.

Однако вскоре Андерсон понял причину неудачи эксперимента Джозефсона. Оказывается, шумы установки, предназначенной для измерения эффекта, были достаточными, чтобы в образцах, исследованных Джозефсоном, туннельный ток превышал критическое значение, при котором эффект исчезал. Вскоре Андерсон и Роувелл обнаружили стационарный эффект Джозефсона, проведя измерения на образцах с малым сопротивлением (в них мал мешающий шум).

Джозефсон задумался над тем, что произойдёт, если на туннельный переход наложить сразу два напряжения: постоянное и переменное? Он пришёл к выводу, что при этом постоянный сверхпроводящий ток будет изменяться скачками – ступеньками. Он будет следовать за частотой переменного тока. А частота, изменяясь, примет определённые значения, зависящие от отношения постоянной Планка к заряду электрона. Это было неожиданным предсказанием. «Смущающим обстоятельством во всей этой теории, – говорит Джозефсон, – было то, что предсказанные эффекты были слишком велики».

В течение некоторого времени имелись только косвенные доказательства существования предсказанного Джозефсоном переменного сверхпроводящего тока. Он сам пытался его обнаружить, но неудачно. Причина неудачи осталась неясной.

Этот эксперимент должен был стать второй главой дипломной работы Джозефсона, предполагаемое название которой было таким: «Два неудачных эксперимента по электронному туннелированию между сверхпроводниками». В первой главе должна была быть описана его неудачная попытка обнаружить предсказанный им стационарный эффект.

Гиаверу же удалось обнаружить переменный сверхпроводящий ток, используя метод, аналогичный тому, которым неудачно воспользовался сам Джозефсон. В том же 1965 году появилась статья советских учёных И. К. Янсона, В. М. Свистунова, И. М. Дмитриенко, сумевших наблюдать излучение сверхпроводящего тока при помощи обычного детектора.

Так, в ходе выполнения дипломной работы студент Джозефсон, используя всем известную теорию, сумел сделать на её основе два удивительных предсказания, не замеченных авторами теории и их последователями, и дважды потерпел неудачу при выполнении экспериментов.

Повторим эти предсказания. Первое: электрический ток может без сопротивления протекать не только через сверхпроводники, но и через разделяющий их тонкий слой диэлектрика. Это явление называют стационарным эффектом Джозефсона.

Второе: если между двумя сверхпроводниками существует тонкий промежуток, заполненный диэлектриком, то из этого промежутка могут излучаться электромагнитные волны, что указывает на присутствие там переменного тока. Это явление называют нестационарным эффектом Джозефсона. Эффекты Джозефсона стали не только большим вкладом в науку, ибо они впервые позволили наблюдать квантовые эффекты в макромире, но открыли возможность создания новых приборов, например чувствительных детекторов радиоволн, сверхчувствительных измерителей магнитного поля. Они явились основой нового естественного эталона единицы напряжения – вольта и новых методов определения точного значения фундаментальных постоянных, так как частота электромагнитного излучения, возникающего при нестационарном эффекте Джозефсона, тесно связана с отношением постоянной Планка к заряду электрона. Так студент-неудачник стал лауреатом Нобелевской премии.

НЕ БОГИ ГОРШКИ ОБЖИГАЮТ!

Горшки обжигают люди. Они начали обжигать глиняные горшки в глубокой древности. Много позже на смену рыжей глине, лежащей под ногами почти повсюду, пришли редкостные светлые глины. Ещё позже мастера стали обжигать посуду, изготовленную из каолина – белой глины. Так появился фарфор.

И вновь прошли века. И наступил век электричества. И из белой глины начали делать изоляторы, чтобы крепить на них электрические провода. И в обиход вошло новое слово – керамика.

Керамика – обобщённое название разнообразных материалов, изготовляемых из природных окислов металлов или их смесей путём формования и последующего обжига. Обжиг придаёт керамике прочность. Если изделие из керамики разбить, то скол будет иметь характерную мелкокристаллическую структуру.

До того как человечество вступило в эру пластмасс, керамика была лучшим из диэлектриков, материалов, обладающих большим сопротивлением электрическому току, наиболее надёжным изолятором, практически не пропускающим сквозь себя электрический ток.

Возникла целая наука, позволившая сделать хрупкую керамику ударопрочной.

Ещё позже твёрдость и жаропрочность керамики, способной выдерживать механические нагрузки и удары, сделали её одним из лучших конструктивных материалов, вытесняющих металл в двигателях внутреннего сгорания, в турбинах, в космической технике.

В начале семидесятых годов керамики преподнесли учёным новый сюрприз. Обнаружились керамики – плохие изоляторы, а затем и керамики, способные проводить электрический ток. Металлические керамики!

Объединились два свойства, казавшиеся несоединимыми! Эти керамики не имеют ничего общего с металлокерамикой, материалом, который изготавливается из металлического порошка путём прессования при высокой температуре. Новые, электропроводящие керамики получают обжигом порошков, приготовленных из комбинации некоторых окислов, каждый из которых является диэлектриком.

Общеизвестно, что лучшими проводниками электрического тока являются чистые металлы – серебро, медь, алюминий.

Классическая физика объясняла электропроводность металла тем, что электроны, входящие в состав атомов металлов, разделяются на две части. Большая часть прочно связана с атомами и не может перемещаться внутри металла. Остальные электроны способны свободно перемещаться внутри атома металла. Их назвали электронами проводимости. Они образуют внутри металла своеобразный электронный газ. Под действием электрического напряжения, приложенного к металлу, электронный газ перемещается от отрицательного полюса к положительному. При этом электроны проводимости обтекают атомы металла, соударяются с ними, затрачивая на это часть своей энергии. Так возникает сопротивление электрическому току.

В веществах, не проводящих электрический ток (в диэлектриках), все электроны прочно связаны с атомами вещества и не могут перемещаться внутри него. Атомы в твёрдом теле способны лишь колебаться, каждый относительно своего положения равновесия. Электроны, входящие в состав атомов диэлектрика, участвуют в этих колебаниях, не покидая своего атома. Эта простая картина, наглядно объясняющая свойства проводников электрического тока и изоляторов – металлов и диэлектриков, не могла описать того, что диэлектрики в некоторых случаях (например, при нагревании) начинают проводить электрический ток. Положение ещё более усложнилось, когда было открыто существование материалов, не входящих ни в класс металлов, ни в класс диэлектриков. Их назвали полупроводниками.

Классическая физика должна была прибегать к искусственным предположениям лишь для того, чтобы объяснить, почему эти вещества при охлаждении становятся диэлектриками, а по мере повышения температуры приобретают способность проводить электрический ток. Но дальнейший нагрев не превращал их в металлы.

Позже пришлось признать, что существуют вещества, не превращающиеся в диэлектрики даже при приближении температуры к абсолютному нулю. Но они и при нагревании не приобретали присущей металлам способности хорошо проводить электрический ток. Их назвали полуметаллами, но никакой ясности не возникло.

Распутать этот клубок, в котором сплелись многие нити, смогла лишь квантовая физика. Она показала, что внутри вещества электроны могут обладать весьма различной энергией. Если они обладают малой энергией, то прочно связаны с атомами. Нужно придать им большую дополнительную энергию, чтобы оторвать от атомов и сообщить способность мигрировать внутри вещества. Такие вещества не проводят электрический ток. Они также плохо передают тепло. Это диэлектрики.

В этом крайнем случае квантовая теория даёт то же самое, что и классическая теория, добавляя лишь менее существенные детали поведения вещества и позволяя разобраться в том, как это поведение зависит от внешних воздействий.

В другом крайнем случае, в металлах, электроны разделены на две части. Большинство из них обладает малой энергией, и они тесно связаны с атомами. Остальные обладают сравнительно большой энергией. Такой, что напряжение слабенькой батареи легко отрывает их от «родного» атома, и они свободно переходят от одного атома к другому, несмотря на то что энергия электрона меньше, чем энергия, связывающая его с ближайшим атомом. Это электроны проводимости, участвующие в передаче электрического тока. Эти же электроны участвуют в передаче тепла, обеспечивая металлам большую теплопроводность.

Новая картина близка к представлению классической физики о свободном электронном газе, но позволяет более подробно описать процесс взаимодействия электронов проводимости с атомами металла.

Квантовая теория легко объясняет отличие полупроводников от металлов, полуметаллов от диэлектриков. В полупроводниках большинство электронов обладает малой энергией, и потому они тесно связаны с атомами и не участвуют в передаче электрического тока. Наряду с ними в по лупроводниках, при комнатной температуре, есть малая часть электронов, энергия которых не намного превышает энергию остальных электронов. Эти электроны могут перемещаться внутри полупроводника, обеспечивая им некоторую способность проводить электрический ток и теплоту.

Физики говорят, что между двумя группами электронов, точнее, между их энергиями существует запрещённая зона. Иногда её называют энергетической щелью. Почему? Да потому, что в полупроводнике нет электронов, энергия которых лежала бы внутри запрещённой зоны, внутри энергетической щели, отделяющей электроны, участвующие в образовании электрического тока от всех остальных. Мы уже встречались с «энергетической щелью», знакомясь с отрывками из нобелевской лекции Гиавера.

При нагревании не все электроны приобретают одинаковую дополнительную энергию. На долю одних приходятся меньшие порции энергии, и они остаются вблизи своих атомов. На долю других выпадает достаточное количество для того, чтобы они перескочили через запрещённую зону в зону проводимости. Так при нагревании увеличивается способность полупроводника пропускать электрический ток, их электрическое сопротивление ослабевает.

Более подробное рассмотрение движения электрона в кристалле показывает, что оно связано с движениями соседних атомов. В результате с движущимся электроном связана масса, превосходящая массу самого электрона. Имея это в виду, физики говорят, что электрон, движущийся в кристалле, является квазичастицей, то есть как бы частицей, масса которой зависит от свойств кристалла.

Так мы снова повстречались с квазичастицами, но не как с любопытной гипотезой или экзотической теорией. В этом случае они являются обыкновенными электронами проводимости, превратившимися в квазичастицы в результате взаимодействия с атомами кристалла.

РАЗБЕГ

В начале семидесятых годов физики и химики активно изучали окислы металлов, а также керамики, получаемые обжигом комбинаций различных окислов. Были среди них и керамики, пропускавшие электрический ток.

В 1973 году впервые была изготовлена керамика, обладающая электропроводностью, типичной для металлов. Для того чтобы убедиться в этом, требовалось провести исследование зависимости электропроводности от температуры.

В 1979 году учёные Института общей и неорганической химии АН СССР (ИОНХ) изготовили керамики из окислов меди, редкоземельного элемента лантана и одного из щёлочноземельных элементов – кальция, бария или стронция. Они показали, что эти керамики имеют зависимость электропроводности от температуры, типичную для металлов.

В этом же году Ф. Стеглич и его сотрудники сообщили, что керамика, состоящая из окислов меди, кремния и церия, превращается в сверхпроводник при очень низкой температуре, равной 0,5К. Они показали, что в этой керамике электроны становятся квазичастицами с необычно большой массой, на два порядка превышающей массу свободного электрона.

Прошло пять лет, и к 1984 году Клод Мишель и Бернар Рави исследовали керамику (на основе окислов бария, лантана и меди) на её способность проводить ток от гелиевых температур до азотных и не обнаружили в ней сверхпроводимости. Только после открытия Беднорца и Мюллера стала ясна причина неудачи: они прокаливали свои образцы на воздухе, в присутствии кислорода! А для появления высокотемпературной сверхпроводимости следует прокаливать их так, чтобы в них возникал некоторый дефицит кислорода. Требуется и небольшой дефицит лантана.

Так это началось. Началось покорение высокотемпературной сверхпроводимости.

Вскоре оказалось, что соединения двух металлов, один из которых уран, а второй бериллий или платина, тоже становятся сверхпроводниками за счёт превращения части электронов в сверхтяжёлые квазичастицы. Но осталось неизвестным, как эти квазичастицы взаимодействуют при появлении сверхпроводимости.

Затем были обнаружены удивительные сверхпроводники с очень малой концентрацией свободных электронов.

Фурор произвело обнаружение предсказанных Гинзбургом и Литтлом тонких сверхпроводящих полимерных плёнок и волокон. Сперва это были плёнки и волокна из неорганических материалов, а затем плёнки и волокна из органических соединений.

Правда, все они становились сверхпроводниками при очень низких температурах.

Так происходило новое постепенное проникновение учёных в страну сверхпроводимости. При этом выяснилось, что далеко не все эксперименты могли быть объяснены на основе существующей теории сверхпроводимости, основанной на спаривании электронов, обменивающихся фононами при движении внутри решётки кристаллов.

Наконец наступил 1986 год, когда Беднорц и Мюллер обнаружили, что керамика из окислов меди, лантана и бария становится сверхпроводящей при неожиданно высокой температуре: 40 K.

Эта керамика была подобна той, в которой сотрудники ИОНХ обнаружили металлическую электропроводность.

Можно представить себе, как они теперь сожалеют, что не продолжили свои исследования в области более низкой температуры. Ведь они упустили Нобелевскую премию, которую получили Беднорц и Мюллер за беспримерный скачок к высокотемпературной сверхпроводимости.