Александр Китайгородский: Проблема № 2

Лекторы знают: если желаешь быть понятым, то строй свой рассказ так, чтобы, по крайней мере, половина сведений, которые ты сообщаешь аудитории, была ей известна. Я надеюсь, что к этой половине относятся следующие утверждения. Атом представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное отрицательными электронами. Из них внешние отрываются от него с наименьшими усилиями. Особенность металла в том, что его атомы отдают часть внешних электронов в общее пользование. Эти обобщенные электроны называют иногда электронным газом. В нормальном состоянии они ведут себя как индивидуалисты: беспорядочно мечутся среди атомов. Когда провод подключен к сети, аккумулятору или батарейке, толпа электронов начинает перемещаться вдоль него. Но хаотичность движения сохраняется: электроны наталкиваются на атомы, мешают друг другу. В этом и заключается причина электрического сопротивления. Чем выше температура, тем больше беспорядок, царящий внутри металла, тем значительнее сопротивление.

Еще в XIX веке было установлено, что в мире атомов существуют две противоположные тенденции: стремление к беспорядку, который возникает благодаря тепловому движению – неотъемлемому свойству материи, и стремление к упорядоченному расположению и движению частиц, которому соответствует наибольшая устойчивость. По последней причине газ при снижении температуры сгущается в жидкость, а жидкость затвердевает в кристалл – идеал порядка: атомы расположены на одинаковых расстояниях друг от друга, а движения их согласованы и напоминают морские волны.

Теория сверхпроводимости показала, что подобные две тенденции имеют отношение и к перемещению электронов. Когда температура достигает некоторого критического значения, часть электронов начинает выстраиваться в ряды и двигаться в такт. По мере понижения температуры беспорядочная толпа электронов редеет, и один за одним «индивидуалисты» подстраиваются к «маршевым ротам». Соразмеряя свой «шаг» с движениями окружающих их атомов и несвободных электронов, «роты» делают бросок вдоль проводника без сопротивления, подтверждая поговорку – «в единении сила».

Взяв на вооружение такую модель, оказалось возможным прикидывать: каковы же те условия, когда переход в сверхпроводящее состояние совершается при достаточно высоких температурах?

Увы, сама теория пока далека от совершенства. Она не способна объяснить, почему один металл становится сверхпроводником при температуре, скажем, 8 °К, а у его соседа по менделеевской таблице, тоже металла, необычное состояние не возникает и в сотых градуса от абсолютного нуля.

Тем не менее эта теория высоко ценится физиками. Некоторые ее экспериментально проверенные выводы и служат нам путеводными нитями, указаниями при подготовке планов, как добраться до «высокотемпературных» сверхпроводников. Заветная мечта – получить материал, чудесные свойства которого проявлялись бы при комнатной температуре. Но даже если бы удалось создать вещество, превращающееся в сверхпроводник при температуре легкодоступного и относительно дешевого жидкого азота 77 °К, то и это было бы огромной победой.

Упомяну только об одном из теоретических указаний. Для того чтобы «маршевая рота» втянула бы в свое упорядоченное движение окружающие несвободные (привязанные к своему месту) электроны, частички остова должны быть полегче.

А раз так, то поиск новых сверхпроводников можно направить по трем направлениям. Во-первых, не попытаться ли получить металлический водород – ведь более легких ядер нет на свете? Вторая идея, принадлежащая американскому профессору Литтлу: нельзя ли создать длинную молекулу с проводящим «хребтом», а порядок в перемещении частичек вдоль «хребта» поддерживался бы довесками несвободных, но легко смещающихся электронов? И наконец, третья идея, предложенная и разрабатываемая в Физическом институте АН СССР академиком В. Гинзбургом и его учениками: не составить ли «бутерброд» из толстых кусков изолятора и тонкого металлического слоя между ними? К внешним обкладкам предъявляется то же требование, что и к довескам в модели Литтла: их электроны, оставаясь связанными со «своими» атомами, должны быть легкоподвижными. Лишь в этом случае они будут поддерживать маршевое движение электронов проводимости вдоль металлического слоя.

Создание согласованного движения за счет заключения пакта о взаимопомощи между свободными и связанными электронами – совсем новая мысль. Расчеты подтверждают ее реалистичность: атомные ядра могут и не быть помехой коллективной сверхпроводящей жизни частичек.