Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля

• Название: Штурм абсолютного нуля
• Автор: Генрих Бурмин
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Детская образовательная литература
• Год: 1989
• ISBN: 5-08-000602-1

Книга о том, как физики, проникнув в область температур вблизи абсолютного нуля, открыли замечательное свойство вещества — сверхпроводимость. В ней рассказывается о выдающемся достижении современной физики — высокотемпературной сверхпроводимости, о применении сверхпроводников в технике и промышленности, об ученых — творцах этой области науки.

---

Если на поверхность тонкого металлического образца нанести слой диэлектрика, то взаимодействие между электронами в металле усиливается в результате относительно легкой поляризуемости диэлектрика, что может привести к высокотемпературной сверхпроводимости.

Представьте себе этакий «сандвич» (это название утвердилось и в науке), состоящий из тонкой металлической пленки, с обеих сторон покрытой слоями диэлектрика.

Движущиеся в металле электроны проводимости поляризуют диэлектрик, создавая поблизости избыточный положительный заряд, который обуславливает возможность притяжения электронов.

Большие надежды ученые связывали с металлическим… водородом.

Может ли вообще существовать металлический водород?

Современная наука дает положительный ответ на этот вопрос.

Каждое вещество, подвергаемое действию все возрастающего давления, должно, в конце концов, перейти в металлическое состояние.

Идея о переходе молекулярного водорода в металлическое состояние имеет многолетнюю историю. Она была высказана в связи с изучением структуры так называемых водородных планет Юпитера и Сатурна, твердая оболочка которых состоит, по — видимому, в основном из водорода и гелия.

Предполагается, что источником энергии, излучаемой водородными планетами, является гравитационное сжатие, сопровождаемое переходом водорода в металлическое состояние.

Полный расчет уравнений состояния водорода в структуре водородных планет сделал в 1964 году А. А. Абрикосов.

Несоизмеримо возрос интерес к металлическому водороду в конце 60–х годов, когда произведенные расчеты показали, что это вещество может перейти в сверхпроводящее состояние при температуре значительно более высокой, чем все ранее известные сверхпроводники.

Правда, на пути к металлическому водороду немало технических трудностей.

Надо не только сжать исходное вещество давлением порядка двух — трех миллионов атмосфер. Необходимо перевести металлический водород, как говорят физики, в метастабильное состояние, то есть он должен сохранить свои свойства и при нормальном атмосферном давлении.

Вместе с тем внимание исследователей высокотемпературной сверхпроводимости привлекло и другое водородоподобное соединение, одной из составных частей которого являются… дырки.

Можно ли мыслить дырку от бублика без… бублика? В обыденной жизни «дырка от бублика» лишь образное выражение. Однако в микромире «дырки» как бы обретают самостоятельное существование.

Если, например, атом кристалла полупроводника теряет один валентный электрон, то, грубо говоря, образуется свободное место, которое так и называется: «дырка», несущая положительный заряд.

Дырка и электрон, в силу электростатического притяжения между ними, при определенных условиях образуют единое целое, получившее название «экситон». Это понятие впервые было введено в науку в 1931 году выдающимся советским физиком Я. И. Френкелем.

Экситон по своим свойствам похож на атом водорода.

Если масса дырки значительно больше массы электрона, то экситоны полупроводника могут образовывать периодическую решетку, аналогичную решетке из протонов и электронов в твердом водороде.

Такой полупроводник может быть переведен в металлическое состояние при давлении в 100 раз меньшем, чем это требуется для получения металлического водорода. Как показало теоретическое исследование А. А. Абрикосова, полупроводник с решеткой из «дырок» должен обладать, подобно металлическому водороду, высокотемпературной сверхпроводимостью.

Обсуждались и другие теоретические модели. Но получить вещество, в котором практически осуществился бы тот или иной механизм высокотемпературной сверхпроводимости, долгое время не удавалось.

Это не могло не разочаровать исследователей, рассчитывающих на сиюминутный успех. Считая, что лучше иметь синицу в руках, чем журавля в небе, они переключились на решение более «легких» проблем.

Другие сочли, что исследования по сверхпроводимости достигли последнего рубежа и дальнейший успех в этой области принципиально невозможен.

К их числу относился, в частности, видный американский физик Б. Маттиас, который немало сделал и в области получения сверхпроводящих материалов. В своем выступлении на первой конференции по проблеме высокотемпературной сверхпроводимости он сказал, что впервые участвует в конференции по несуществующей проблеме.

Многие лаборатории отошли от ранее традиционной для них тематики. Но были ученые, которые оставались верными рыцарями одной из важнейших проблем современной физики.

В 60–70–х годах академик В. Л. Гинзбург с группой сотрудников Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР провели ряд фундаментальных теоретических исследований в области высокотемпературной сверхпроводимости, на основании которых пришли к глубоко обоснованному выводу о том, что не существует физических законов, которые могли бы помешать созданию сверхпроводников, «работающих» даже при температуре 300К. Ученые наметили основные направления работ в этой области.

Работы Гинзбурга и его коллег были опубликованы в ряде отечественных и зарубежных научных журналов, обобщены в объемной монографии «Проблема высокотемпературной сверхпроводимости», вышедшей в 1977 году под редакцией В. Л. Гинзбурга и другого известного физика Д. А. Киржница. А в начале 80–х годов был опубликован английский перевод этой книги.

В январском выпуске 1971 года журнала «Успехи физических наук» В. Л. Гинзбург писал, что в области высокотемпературной сверхпроводимости «…быть может, вовсе не нужно проводить какой‑то сверхсложный синтез новых веществ и совсем не исключена возможность добиться успеха сравнительно скромными (хотя и современными) средствами. Поэтому я не удивился бы, если бы прочел о создании высокотемпературного сверхпроводника в очередном номере физического журнала (другое дело, что в этом случае, по всей видимости, возникла бы сенсация, и о новостях мы бы узнали из газет или радиопередач)».

Прогноз советского академика сбылся почти буквально.

Открытие высокотемпературного сверхпроводника наконец состоялось, а изготовлен он был из керамики, материала, известного человеку еще с древних времен.

11. «Возвращение каменного века». Ученые из Цюриха начинают «… выигрывают. Магические цифры. Три кита, на которых держится сверхпроводимость.

Слово «керамика» происходит от греческого «керамос», что в переводе означает «глина».

Керамика — один из древнейших материалов, известных на Земле. Первые керамические изделия появились за пять тысячелетий до новой эры, на исходе каменного века.

Пластичность глины была известна людям с незапамятного времени. Человек, который первым до — гадался подвесить изделие, вылепленное из глины, над костром, разумеется, не мог предположить, что изобрел замечательный материал, который впоследствии получит широчайшее распространение. Мягкая и податливая глина под действием огня сделалась твердой как камень. Из керамики (обожженной глины) делали сосуды для приготовления пищи.

…Проходили века и тысячелетия. Костры и простейшие горны сменились механическими печами. Совершенствовались техника обжига и технология производства.

Керамика окружает нас в повседневной жизни: от посуды и домашней утвари до санитарных приборов. Это один из основных материалов в строительстве. Трудно представить, что керамика — это и легкая фаянсовая чашечка и грубый увесистый кирпич.

Современная керамика — не только материал, сформованный из глин с различными добавками. Это также изделия, в состав которых глины вообще не входят. Они состоят из других минеральных масс, подвергаемых обжигу при температуре от 900 °C и выше.

Керамические материалы имеют ряд преимуществ перед металлами. Они выдерживают более высокие температуры, стойкие к действию кислот, и не подвержены коррозии. По прочности керамика почти не уступает алмазу. Удельный вес ее меньше, чем у металлов, и изделия из нее соответственно легче. Сырье для керамики дешево и имеется почти всюду.

Керамический резец, например, легко вгрызается в стальную заготовку. Инструменты из керамики применяются в металлообработке.

Керамические материалы используются на атомных электростанциях, в экспериментальных установках термоядерного синтеза. Керамические покрытия защищают корпуса космических кораблей при входе их в плотные слои атмосферы. Применяется керамика в самолетостроении, приборостроении, электротехнике и других отраслях промышленности.

Вместе с тем керамические материалы отличаются хрупкостью, они чувствительны к изменениям температуры: при резком охлаждении трескаются.