Читать книгу - "Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер"

решетки – фононами. Существует экспериментальное подтверждение этой концепции в форме так называемого изотопического эффекта. Тяжелые изотопы любого элемента проявляют те же химические свойства, но, поскольку они содержат больше нейтронов, имеют бо́льшую массу. Как установил в 1911 году Камерлинг-Оннес, чистая ртуть обладает сверхпроводящими свойствами и тяжелые изотопы ртути становятся сверхпроводниками при более низких температурах. Это согласуется с предсказаниями теории БКШ, если предположить, что притяжение между электронами порождается именно фононами: более тяжелые атомы должны вибрировать медленнее. По этой же причине должна существовать и максимальная температура, при которой возможна сверхпроводимость: эта температура (равная при атмосферном давлении 40 К) задается возможными высокочастотными вибрациями.

Поэтому сделанное в 1986 году открытие сверхпроводимости в оксиде иттрия-бария-меди при температуре свыше 100 К стало для всех полной неожиданностью. Теория утверждала, что такое невозможно. Более того, теория утверждала, что YBCO (как сокращенно называют этот оксид) вообще не должен быть сверхпроводником: все известные до того момента сверхпроводники при нормальных условиях были металлами, а YBCO – керамический материал. Представьте себе, что вы спросили кого-нибудь в 1985 году, какой из предметов на каминной полке вероятнее всего обладает сверхпроводимостью при температуре выше 40 К. Все инстинктивно потянулись бы к металлическим часам и были бы неправы: точнее было бы выбрать фарфорового слоника.

С момента этого фундаментального открытия температура, при которой может наблюдаться сверхпроводимость, постепенно повышается. Сверхпроводимость уже была обнаружена в самых разных материалах, которые совершенно невозможно было заподозрить в чем-нибудь подобном. Рекордная температура превышает 150 К. Таким образом, был достигнут значительный прогресс, но самая низкая естественная температура на Земле все еще не превышена.

Высокотемпературные сверхпроводники пока что остаются загадкой. Их поиски возглавляют экспериментаторы; существует целая индустрия, занимающаяся проверкой любых материалов на сверхпроводящие свойства в надежде обнаружить тот самый философский камень – сверхпроводимость при комнатной температуре.

Кое-каких успехов уже удалось добиться. В 2020 году появились сообщения об обнаружении у углеродсодержащего гидрида серы сверхпроводимости при 15 °C – несколько прохладной комнатной температуре. К несчастью, однако, это явление наблюдали только при недостижимом при практическом применении давлении 2,6 миллиона атмосфер. Впоследствии эти результаты были подвергнуты сомнению, так как другие группы не смогли их повторить. На данный момент этот вопрос по-прежнему остается предметом яростных споров.

Все дело в том, что нам нужна теория высокотемпературной сверхпроводимости, которая направляла бы экспериментальные поиски. Сейчас имеется масса конкурирующих теорий, но нет ничего похожего на консенсус. Проблема отчасти заключается в том, что высокотемпературная сверхпроводимость сопровождается множеством странных явлений и пока неизвестно, какие из них способствуют ей, а какие мешают.

Несмотря на отсутствие теории, высокотемпературные сверхпроводники регулярно используются уже сейчас. Сверхпроводящий YBCO существует при температурах, значительно превышающих 77 К, точку кипения жидкого азота. Поскольку азот вполне доступен и легко приводится в жидкое состояние методом конденсации, любой сверхпроводник, существующий при температурах выше 77 К, можно считать сравнительно пригодным для практического использования. YBCO используется в сверхпроводящих магнитах исследовательских установок, в том числе Большого адронного коллайдера. В некоторых частях Соединенных Штатов и Германии высокотемпературные сверхпроводники уже применяются в коммерческих системах энергоснабжения; существуют планы объединения трех крупнейших энергосетей США с использованием сверхпроводников с азотным охлаждением. Это позволит сделать энергетическую нагрузку по всей стране более равномерной, что поможет при будущем переходе на возобновляемую энергетику.

Хотя мы уже добились немалых успехов, пока что нам известны только отдельные фрагменты этого заклинания. Мы смогли взглянуть на философский камень, но он еще не оказался у нас в руках, и теоретическое объяснение высокотемпературной сверхпроводимости все еще остается делом будущего. Между экспериментальным открытием обычной сверхпроводимости и ее теоретическим объяснением прошло сорок шесть лет; возможно, сейчас настало время для следующего прорыва такого рода.

Жесткая дорога в дюнах

Некогда алхимики искали философский камень, способный претворять низкие металлы в золото и дающий своему владельцу бессмертие и свободу от неизбежности потерь. Более ценен – и гораздо более редок, – чем золото, любой высокотемпературный сверхпроводник, дающий свободу от потерь в электрических токах. Камень, который ищут нынешние философы, – это сверхпроводимость при комнатной температуре. Имея его, мы, возможно, сумеем попасть в мир, в котором технологии будут обеспечивать не рост, а равновесие.

Было бы нечестно утверждать, что технологии позволят нам разрешить энергетические проблемы мира. Технические решения будут полезны только в том случае, если мы изменим свои личные привычки и позиции и обеспечим координированные действия со стороны государств. По счастью, прогресс в этих областях не обязательно бывает взаимоисключающим. Подходя к концу этой книги, мы возвращаемся к ее центральной теме – повторному очарованию обыденным. Я полагаю, что в отдаленном будущем важнее всего будет не создание чего-то нового, чего-то более крупного или более производительного, а оценка по достоинству того, что уже существует.

К слову, сверхпроводимость и сверхтекучесть могут преподать нам еще один урок относительно окружающего нас привычного мира. Они являются проявлением квантовых эффектов в нашей срединной области и совершенно не соответствуют нашему здравому смыслу. Это и есть настоящая магия, а точнее, практическая, прикладная магия волшебников. Но вот что интересно: сверхпроводники – явление ничуть не более квантовое, чем кристаллы. Они просто менее обыденны. Они делают в точности то же самое, что делает любая материя, – приобретают жесткость благодаря спонтанному нарушению симметрии. Если попытаться остановить течение сверхтока, куперовские пары окажут этим попыткам коллективное сопротивление. Если толкнуть кристалл, он сдвинется весь целиком. Сверхтекучая среда, убегающая а-ля Гудини из бутылки, из которой невозможно выбраться, – проявляет настоящую магию, но кристалл, лежащий на столе, проявляет точно такую же магию! Это не означает, что сверхтекучие среды менее волшебны. Скорее речь идет о том, что все виды материи не менее волшебны, чем сверхтекучие среды, – просто некоторые из них более привычны. Если бы мы жили в гораздо более холодном мире, сверхпроводимость казалась бы нам такой же обыденной, как твердость.

Возможно, создание теории высокотемпературной сверхпроводимости – дело отдаленного будущего. В связи с тем потенциалом изменения мира к лучшему, которым она обладает, ее получение является главной задачей физики конденсированного состояния. Когда мы будем понимать высокотемпературную сверхпроводимость так же хорошо, как мы понимаем теорию БКШ, мы, вероятнее всего, будем смотреть на мир совершенно другими глазами. Такие достижения не возникают на пустом месте и не бывают изолированными: если состояния материи приобретают устойчивость благодаря сотрудничеству множества составляющих материю частиц, то и развитие человеческого знания точно так же обеспечивается сотрудничеством множества отдельных людей. Если вы захотите присоединиться к этим поискам, там найдется место и для вас.

IX

Бескрайние дали

На самом северном из