Вторая проблема встала перед теоретиками: она заключалась в том, что никто не понимал – как металл может идеально проводить электрический ток? Как возникает электросопротивление в обычном металле, который имеет довольно много практически свободных электронов? Свободные электроны, толкаемые электрическим полем, движутся среди атомов, сталкиваются с ними и теряют скорость, одновременно раскачивая атомы, то есть нагревая вещество. Эти столкновения электронов с атомами и являются источником электрического сопротивления. Но почему при низких температурах эти столкновения или исчезают, или перестают тормозить электроны?
Первыми достигли успеха экспериментаторы: в 1912 году они выяснили, что в сверхпроводящее состояние могут переходить свинец и олово, причем свинец переходил в сверхпроводящее состояние при 7,3 градуса Кельвина – заметно большей температуре, чем олово или ртуть.
Рекордсменом среди чистых металлов оказался ниобий, который становился сверхпроводящим при 9,2 градуса Кельвина. Дальше пришлось рассматривать сплавы и соединения.
В 1960 году был открыт сверхпроводник с критической температурой в 18 кельвинов. Молекула этого сверхпроводника состояла из трёх атомов ниобия и одного атома олова. После чего прогресс в «гонке сверхпроводников» практически остановился.
Прорывом стало открытие в 1986 году Карлом Мюллером и Георгом Беднорцем нового типа сверхпроводников. Например, соединение, состоящее из лантана, стронция, меди и кислорода, переходило в сверхпроводящее состояние при 36 кельвинах. А соединение иттрия, бария, меди и кислорода стало превращаться в сверхпроводник при температуре большей, чем температура кипения жидкого азота, – 77,4 кельвина.
– Это означает, что для исследования сверхпроводимости и для практического использования сверхпроводников стало можно использовать не дорогостоящий гелий, а дешёвый азот, – уточнил Андрей.
Дзинтара кивнула.
– В 2003 году был открыт керамический сверхпроводник на основе ртути, бария, кальция, меди и кислорода, который имел критическую температуру в 138 кельвинов. Многие вещества – например, сероводород – будут сверхпроводящими и при земных температурах – хотя бы зимой в Антарктиде, где минус 70 градусов по Цельсию, – но только при высоких давлениях. Так что экспериментаторы сделали важный шаг в поиске сверхпроводников при комнатной температуре и при обычном давлении. Конечно, в этих поисках им помогла бы хорошая теория сверхпроводимости – но тут теоретики подкачали, ведь полноценной теории сверхпроводимости, которая бы описывала разные типы сверхпроводников, до сих пор не создано.
Значительное продвижение в создании теории сверхпроводимости было достигнуто теоретиками Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом, работавшими в СССР. Они создали феноменологическую, то есть не затрагивающую микромеханизмы явления, теорию сверхпроводимости Ландау – Гинзбурга.
Первой микроскопической теорией сверхпроводимости стала модель американских физиков Бардина – Купера – Шриффера (БКШ). Она попыталась объяснить, почему электроны в сверхпроводнике не испытывают сопротивления от атомов вещества. Модель БКШ стала рассматривать объединение электронов в стаю…
– Как это возможно? – удивилась Галатея. – Электроны отталкиваются друг от друга.
– Да, когда они в свободном состоянии. Когда же они движутся в кристаллической решетке, то посылают друг другу сигналы с помощью фононов – особых колебаний решетки. И этот обмен позволяет им создавать пары, которые стали называть «электронными парами БКШ».
Галатея продолжала недоумевать. Тогда на помощь пришёл Андрей:
– Помнишь, мы потеряли друг друга в зарослях кукурузы? Тогда я пошёл туда, где сильнее всего качалась и шелестела кукуруза, – и нашёл тебя!
– Верно, нашёл… – кивнула Галатея, пытаясь представить себя электроном, а шелестение кукурузы – фононом.
Дзинтара продолжила:
– Но теория БКШ, за которую авторы получили в 1972 году Нобелевскую премию, не ответила на главный вопрос, интересующий экспериментаторов, – как вычислять критическую температуру для конкретных соединений?
Если узнать, от каких параметров вещества она зависит, то можно было бы сразу найти самый высокотемпературный проводник. Более того, если низкотемпературные проводники – с критической температурой ниже 77 кельвинов – обычно подчинялись теории БКШ, то высокотемпературные керамические сверхпроводники капризничали и подчиняться теории БКШ не хотели…
– В нагретых проводниках много тепловых шумов, то есть фононов, – задумался Андрей. – Я бы тоже не смог найти Галатею среди кукурузы, если бы дул сильный ветер!
– …поэтому учёным пришлось вводить дополнительную классификацию сверхпроводников: на те, которые следуют уравнениям Бардина – Купера – Шриффера, и на те, которые – нет. Универсальная теория сверхпроводимости до сих пор не создана, поэтому экспериментаторы двигаются вперёд на ощупь.
– Давайте создадим её, эту теорию! – загорелась Галатея.
Дзинтара засмеялась.
– Это непростое дело – теории создавать. Ни вы, ни я такой квалификацией не обладаем.
– Но поразмышлять-то можно? – неожиданно поддержал младшую сестру старший Андрей, который обычно был гораздо сдержаннее. – Вот я слушал тебя и вспоминал эффект Мёссбауэра из прошлой сказки. Когда Мёссбауэр охладил кристалл до температуры жидкого азота, то все гамма-кванты из кристалла стали вылетать с одинаковой энергией, потому что кристалл при низкой температуре стал такой прочный, что отдача кванта пришлась не на один атом, а на сто миллионов атомов. В результате гамма-квант оказался неспособен отдать свою энергию упругой и массивной кристаллической решётке!
– Ага… – задумчиво протянула Галатея. – И ты думаешь, что такой же эффект наблюдается в сверхпроводниках?
– Возможно! – кивнул Андрей. – Ведь при низких температурах атомные решётки должны быть как единое целое – и электрон, налетев на один атом, на самом деле налетит на весь кристалл. Он не сможет отдать ему свою энергию, отразится, как от идеального зеркала, и полетит дальше!
– Не растратив свою энергию! – широко раскрыла глаза Галатея. – То есть он не будет испытывать электросопротивления!
– Точно! – засиял Андрей. – В холодном кристалле электроны сталкиваются с атомами часто, но не могут передать им свою энергию и раскачать их.
– Кажется, мои дети стали вундеркиндами! Видимо, влияние неумеренного чтения научных сказок, – озабоченно сказала Дзинтара. – Но вы не спешите, любая теория требует математического оформления, там много может быть всяких вещей, которых вы просто не учитываете…
– А мы никуда и не торопимся, – сказал Андрей и подмигнул сестре. – Вырастем, всё оформим и всё учтём…
Примечания для любопытных
Хейке Камерлинг-Оннес (1853–1926) – выдающийся голландский физик. Создал эффективные установки по сжижению азота и гелия, открыл явление сверхпроводимости. Лауреат Нобелевской премии (1913).
