В 1908 году голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в Лейденском университете перевел в жидкое состояние последний из инертных газов - гелий и тем самым открыл для физиков область температур от 1 до 10К, весьма близкую к абсолютному нулю. Выражаясь языком морфологического подхода, поле, доступное для увеличения объема наших знаний, расширилось в область дотоле неизведанных температур (расширение поля в действительности громадное, т.к. расстояние до абсолютного нуля температур сократилось сразу в десять раз!). Руководствуясь принципом метода систематического поля и получив уникальную возможность исследований в недоступной (пока) другим исследователям области температур, Каммерлинг-Оннес, изучавший электропроводность металлов, решил прямым экспериментом разрешить многолетний спор ученых о предполагаемом ходе температурной зависимости электропроводности металлов при Т® 0. А ученые эти разделились на три группы, каждая из которых убедительно доказывала справедливость своей гипотезы, но ни одна не имела прямых экспериментальных свидетельств своей правоты. Вот в чем была суть этих гипотез:
1) Проводимость обусловлена движением свободных электронов, а при Т® 0 энергия (и скорость) электронов также стремятся к нулю, электроны окажутся “привязанными” к своим атомам и сопротивление, соответственно, возрастет до бесконечности (кривая 1 на рис. 3).
Рис.3. Гипотетический ход кривых R(T) (по состоянию на 1909 год).
2) Согласно квантовой теории электроны при понижении температуры стремятся занять нижний энергетический уровень в потенциальном поле кристаллической решетки металла, но это не нулевой уровень, так что проводимость при Т® 0 будет стремиться к конечной величине (кривая 2 на том же рисунке).
3. Электросопротивление в металлах обусловлено рассеянием электронов на колеблющихся атомах, а при Т® 0 амплитуда колебаний атомов также стремится к нулю, вклад рассеяния уменьшится до нуля, кривая r(T) будет плавным продолжением уже измеренного участка (до Т» 10К), асимптотически приближающимся к нулю.
Итак, ситуация была близка к тому, чтобы одна из трех гипотез стала теорией, а остальные две - увы………... Довольно быстро Каммерлинг-Оннес установил, что для платины и золота (эти металлы имелись у него в сравнительно чистом виде) ход кривых r(T) ближе всего описывается кривой 2, когда сопротивление при Т®0 выходит на некое постоянное значение - “остаточное сопротивление”. Смущало, правда, то, что величина этого остаточного сопротивления сильно менялась от образца к образцу в зависимости от чистоты металла. Будучи по-прежнему одиноким исследователем в этой части “поля знаний”, Каммерлинг-Оннес предположил, что остаточное сопротивление обусловлено примесями, и в чистых металлах кривая r(T) будет ближе всего к кривой 3, т.е. сопротивление чистого металла будет монотонно уменьшаться до нуля с понижением температуры.
Вопрос оставался открытым, более чистой платины или золота в то время получать не умели. Но был другой металл - ртуть, которую многократной перегонкой можно было очистить гораздо лучше, чем тугоплавкие платину и золото. Сказано - сделано, продвижение по полю знаний продолжалось, и первые же эксперименты на максимально чистой ртути показали, что сопротивление ее при 4,2К (температура кипения гелия) становится столь малым, что его не удавалось даже измерить имеющимися приборами. В 1913 году Каммерлинг-Оннес так описал этот период своих исследований: “Будущее казалось мне прекрасным. Я не видел перед собой трудностей. Они были преодолены, и убедительность эксперимента не вызывала сомнений”.
Однако не измеренное сопротивление - это досадный недочет эксперимента. Подготовлено более совершенное оборудование, более чувствительные приборы, эксперимент в 1911 году повторяется Каммерлинг-Оннесом, и... оказывается (см. Рис. 3а), что кривая r(T) вовсе не похожа на такую хорошую, плавную и спокойную теоретическую кривую 3. И вообще ни на что не похожа. И вообще это не кривая, а какой-то обрывок, за которым... нет ничего. Никакого сопротивления, нуль!
Вот так в ходе рутинной работы по методу систематического покрытия поля (МСПП) было совершено одно из величайших открытий ХХ века - открытие сверхпроводимости. Типичное открытие III типа, открытие-случайность, непонятный и необъяснимый факт. Но факт настолько важный и фундаментальный, что уже в 1913 году Каммерлинг-Оннесу была присуждена Нобелевская премия по физике.
Впрочем, вернемся к сути дела. Установив столь необычный факт для одного из металлов (ртути) и убедившись довольно быстро, что примеси здесь ни при чем, ученые срочно принялись “распахивать” поле знаний о сверхпроводимости, причем основным методом оставался МСПП. Факты накапливались, но чем больше их было, тем туманнее становилась ситуация. Сверхпроводниками оказались почти все металлы, но при разных температурах сверхпроводящего перехода, причем никакой видимой связи этой критической температуры Тс с остальными физическими свойствами элемента не просматривалось. Шла “зоологическая” стадия накопления фактического материала, объяснений же не было. Назревала ситуация для открытия первого типа...
Покончив с металлами, экспериментаторы взялись за сплавы и интерметаллические проводники. Появились признаки работы по тактике метода морфологического ящика (ММЯ), поскольку появилась состязательная цель: найти вещество с максимально высокой температурой сверхпроводящего перехода. Цель отнюдь не платоническая, умозрительная, а вполне реальная, технически значимая, так как к этому времени уже родилась идея сверхпроводящего электромагнита (не потребляющего энергии) и другие заманчивые идеи технического применения сверхпроводимости. Как известно, сплав и интерметаллическое соединение - это комплекс из двух или более химических элементов. А это - уже база для ММЯ, когда для каждого из двух (или трех) элементов, входящих в соединение или сплав, испытывают всю гамму уже “зарекомендовавших себя” сверхпроводников, надеясь хоть на полградуса продвинуться в область более высоких Тс. Движение - практически вслепую, почти каждый новый факт дает неожиданные результаты и только усложняет картину. Но - это и очередная стадия накопления фактов, в частности, и очень странных. Например, обнаружение сверхпроводимости сульфида меди при Тс=1,6К, и это при том, что сера - никакой не сверхпроводник, а медь удается перевести в сверхпроводящее состояние лишь при Т<0,1К!
Теоретики, имея такой “букет” фактов, пытаются объяснить если не все, то хотя бы часть их, возникает множество частных гипотез, сменяющих одна другую и на какое-то время становящихся доминирующими, но целых полвека эта чехарда гипотез так и не могла дать хотя бы одну, достаточно убедительно объясняющую все уже установленные факты и обладающую предсказательной способностью (как, например, было с Периодическим законом Менделеева). И только в 1972 году мировое научное сообщество признало в качестве теории сверхпроводимости теорию, построенную Бардиным, Купером и Шриффером, присудив им Нобелевскую премию (но теория эта пробивалась в жизнь целых 15 лет). Состоялось, наконец, открытие первого типа - открытие нового принципа.
Впрочем, и это открытие по-прежнему оставило за пределами понимания и объяснения достаточно много фактов. И, к сожалению, теория БКШ (так ее стали называть по первым буквам фамилий авторов) в первоначальном виде не обладала основным свойством теории - предсказательной способностью, так что даже после ее официальной “инаугурации” нобелевским комитетом теория продолжала уточняться, модифицироваться и... размножаться.
Экспериментаторы, однако, были в большинстве своем далеки от баталий теоретиков (тем более что теория БКШ совсем не легка для понимания). Шла игра с большими ставками: каждый градус повышения рабочей температуры сверхпроводника означал заметное расширение перспектив практического применения в технике. “Гонка за градусами” после тривиальной стадии чистых веществ, давшей Тс=7,26К для свинца и Тс=9,22К для ниобия, перешла к почти необозримому морфологическому множеству бинарных соединений, позволившему вначале выйти во второй десяток градусов (NbN - 15K, NbH - 13K, NbC - 10K), а затем “разменять” и третий десяток (Nb3Al0,75Ge0,25 - 20,3K, Nb3Ge - 23K), заглянув попутно уже и в семейство тройных соединений. Хотя поддержка теоретиков при блуждании в бесчисленном множестве тройных соединений была крайне необходимой, теория БКШ ее гарантировала лишь в минимальной степени. А морфологическое множество соединений, потенциально перспективных для поставленной цели, обзавелось еще двумя строками, т.к. выяснилось, что кроме состава важна и кристаллографическая модификация вещества, а еще раньше было выяснено, что даже некоторые из простых металлов, не желавших проявлять сверхпроводящие свойства при обычных условиях, тем не менее “сдавались” при повышенном давлении (в пределах 50-100 кбар). Ситуация для поиска почти безнадежная: “поле знаний” для бессистемного поиска было невообразимо большим, а подсказок, где искать, не было.
Впрочем, в теории БКШ можно было найти и “утешение”: она утверждала, что наибольшая возможная температура сверхпроводимости не может превышать 30К, а до этого предела оставалось не так далеко.
Страсти затихли, время от времени в печати публиковались сообщения об “успехе” размером »0,1К, но физики все более уходили в технические приложения сверхпроводимости, тем более что в этой области появилось совершенно новое и перспективное для микроэлектроники направление - сверхпроводниковые электронные приборы со слабой связью (сквиды).
Бомба взорвалась в 1986 году. Редакция престижного журнала Physical Review Letters до сих пор кусает локти, сожалея о том, что она отвергла как несусветную чушь статью мало кому известных сотрудников швейцарского отделения фирмы IBM И.Г.Беднорца и К.А.Мюллера, которые утверждали, что керамический диэлектрик LaBaCuO является сверхпроводником, и не просто сверхпроводником, а еще и с температурой перехода Тс=35К - выше теоретической! Статью авторы переадресовали в менее престижный Zeitschrift fur Physik и она вышла в свет в октябре 1986 года. Нобелевская премия за открытие высокотемпературной сверхпроводимости была присуждена Беднорцу и Мюллеру уже в 1987 году - это самый короткий срок от открытия до его нобелевского увенчания!
Но вернемся к сути: что же произошло и как было сделано это открытие? К 1983 году, когда Беднорц и Мюллер только начинали работу по поиску высокотемпературных сверхпроводников, “поле знаний” о предмете выглядело следующим образом. “Зоологический” набор одноатомных сверхпроводников, явления в которых теория БКШ худо-бедно, но объясняла. Группа сверхпроводящих соединений типа Nb
3Ge, характеризующихся своеобразной кристаллической решеткой. Установлено заметное влияние дополнительных легирующих элементов, занимающих вполне определенные места в кристаллической решетке основного соединения. “Странные” сверхпроводящие соединения, состоящие из элементов, не являющихся сверхпроводниками. Наконец, еще более странные органические сверхпроводники с температурой сверхпроводящего перехода вплоть до 10К. Ясно было, что явление сверхпроводимости - гораздо более общее, чем трактуется теорией БКШ.Творческое решение всегда связано с преодолением психологического барьера. Метод отрицания и конструирования в этом смысле является классическим примером “принудительного” преодоления психологического барьера. Беднорц и Мюллер в точном соответствии с основным принципом этого метода (автору неизвестно, были ли они знакомы с работами своего соотечественника Цвикки) предположили, что сверхпроводник не обязательно должен быть проводником при обычных условиях. Но если мысленный переход от металлов к интерметаллическим соединениям и сплавам представлял собой психологический барьер микроскопической высоты, то здесь (переход от проводника к диэлектрику, т.е. к своей противоположности) психологический барьер оказался непреодолимым для всей армады исследователей. Но не для Беднорца и Мюллера.
Поставив целью изучение окисных соединений, Беднорц и Мюллер “прошли” никельсодержащие оксиды (безрезультатно), затем медьсодержащие соединения типа LaCuO3 (тоже безрезультатно), и только после того, как в керамику был введен третий металл - барий, швейцарские физики обнаружили сверхпроводящие свойства и, варьируя содержание Ва, достигли Тс=35К.
Не имея никакой теоретической поддержки (теория БКШ в одночасье лишилась статуса общей теории сверхпроводимости, т.к. не смогла сказать ничего для этого сверхпроводника), ученые начали почти вслепую разбираться, в чем же дело. Из всех физико-химических свойств сверхпроводящей керамики удалось установить зыбкую связь сверхпроводимости с тем, что атомы меди в керамике имели два состояния окисления - CuII и CuIII. И еще тот факт, что лишь одна из кристаллографических модификаций этой керамики переходила в сверхпроводящее состояние.
Итак, ученый мир к концу 1986 года оказался перед морфологической матрицей керамических сверхпроводников, которая изображена на рисунке 4. Были все основания считать, что LaBaCuO4 - не единственный сверхпроводник такого типа и его температура сверхпроводящего перехода - не максимально возможная (поскольку “теоретический” предел , провозглашенный БКШ, уже преодолен, а нового предела пока никто не поставил).
| А. Элемент редкоземельный | La | ... | ... |
| Б. Элемент II группы | Ba | ... | ... |
| В. Элемент IБ группы | Cu | ... | ... |
| Г. Элемент VI группы | O | ... | ... |
| Д. Кристаллографический тип | перовскит | ... | ... |
| Е. Давление | норм. | ... | ... |
Все, кто имел доступ к жидкому гелию, ринулись на поиски новых сверхпроводников. Впереди маячил “азотный барьер”: все понимали, что сверхпроводимость при температуре жидкого азота (77К), а не гелия (4К) может вызвать настоящий бум в электротехнике, и тот, кто первым достигнет этого барьера, станет не менее знаменит, чем швейцарский нобелевский тандем. Беспрецедентным стал и обмен научной информацией: каждые две недели в том или ином научном центре собирался международный семинар, где прямо “из научной кухни” горячие, еще нигде не опубликованные и не всегда даже проверенные сведения оглашались и время от времени разворачивали весь научный “пелетон” в новом направлении. Число публикаций в научных журналах было очень большим, например, в США число статей на эту тему в 1987 году менялось так:
| март-апрель | май-июнь | июль-август | сентябрь-октябрь |
| 22 | 105 | 69 | 38 |
Клеточки морфологической матрицы заполнялись медленно, подавляющее большинство комбинаций на базе других элементов не обладали сверхпроводимостью, но и для тех керамик, где сверхпроводимость (или даже просто резкое уменьшение сопротивления) регистрировалась, эффект так сильно зависел от способа получения материала и был так нестабилен, что мираж новой нобелевской премии становился все более призрачным.
И все же общими усилиями Тс медленно (хотя по сравнению с предыдущими десятилетиями это “медленно” было просто космической скоростью!) продвигалась к заветным 77К. Декабрь 1986 года - 39К, январь 87 г. - 48К (замена бария стронцием), а затем и 57К (если образец подвергнуть давлению). К концу января из Китая поступили сведения, что достигнута Тс=70К, но образцы быстро теряют свойство сверхпроводимости. В феврале 1987 года азотный барьер пал. Сначала сообщение о Тс=80К, а через несколько дней - 94К и раскрыт состав первого “азотного” сверхпроводника - YBaCuOx. Перейден и еще один малозаметный барьер: иттрий не относится к редкоземельным лантанидам, так что этот сверхпроводник находится вне морфологического множества рис.3.
В течение недели со дня обнародования исходного состава образца YBaCuOx сразу четыре группы исследователей сообщили о точном составе и структуре сверхпроводящей кристаллографической фазы - YBa2Сu3Ox (другая кристаллографическая фаза этого состава Y2BaCuOx оставалась диэлектриком при любых температурах). Опыты с этим сверхпроводинком были на удивление хорошо воспроизводимы и он вскоре получил собственное имя - 1-2-3-сверхпроводник. Его структура показана на рис. 5.
Рис. 5. Структура 1-2-3 сверхпроводника.
Попытки двинуться в область более высоких температур были стабильно безуспешными и предпринимались все реже и реже, ученые переключились на “удобный” 1-2-3-сверхпроводник, разбираясь в деталях его строения и свойств. Время от времени в печати появлялись будоражащие сообщения: март 1987 - Тс=240К (Калифорнийский университет) и Тс=170-250К (Институт физических проблем АН СССР), июнь 1987 - 155К и 225К на том же 1-2-3-сверхпроводнике; уже в апреле на этом сверхпроводнике был создан СКВИД- основа свехбыстрой электроники будущего; японские газеты даже сообщили, что вскоре каждая японская домохозяйка на кухне сможет испечь сверхпроводник с Тс» 500К, т.е. на 200 градусов выше комнатной. Ни одно из таких сообщений не подтвердилось, и стали поговаривать, что выше 100К, пожалуй, не подняться.
В начале 1988 года надежды ученых возродились с новой силой. А произошло это благодаря тому, что еще раз сработал метод отрицания и конструирования: заменив редкоземельный элемент или таллием (тоже элемент III группы, как и иттрий, и лантаниды) или висмутом (элемент V группы, впервые появившийся в семействе керамических сверхпроводников; впрочем, и таллий, и висмут сами по себе проявляли сверхпроводящие свойства, но только при Тс» 2К), критическую температуру удалось надежно зафиксировать при 125К. К этому времени ученый мир наработал так много, что морфологическая матрица, начинавшаяся со скромной таблички, показанной на рис. 4, разрослась до весьма солидных размеров; она показана на рис. 6.
| А | Первый элемент (редкоземельный?) | La | Tl | Y | Pb | Er | Nd | Bi | Al | ||||
| Ho | Sm | Ce | Pr | Eu | Dy | Tu | |||||||
| Б | Второй элемент (II группы) | Ba | Sr | Ca | |||||||||
| В | Третий элемент (IВ группы?) | Cu | Ni(?) | K | нет | ||||||||
| Г | Четвертый элемент (VI группы) | О | |||||||||||
| Д | Кристаллический тип | перовскит | кубическая | ||||||||||
| Е | Дополнительный (стабилизирующий) элемент | F | Ag | ||||||||||
| Ж | Вид | монолит | пленка | ||||||||||
| З | Давление | нормальное | до 10 Кбар | до 50 Кбар | |||||||||
| И | Технология получения | окисление многослойной пленки | магнетронное распыление комплексной мишени | пиролиз | |||||||||
| лазерное напыление со спеченной керамики | напыление электронным лучом | ||||||||||||
Уверенность в том, что наступает революция во всей технике, была столь велика, что в начале 1988 года рядом японских ученых был сделан прогноз о том, когда то или иное практическое применение ВТСП “перевернет” целую отрасль техники.
| СП-индустрия | |
| Энергетика | Генераторы, линии передач, управляемый термоядерный синтез, накопители |
| Исследования и разработки | Сверхпроводящий суперколлайдер, ядерный магнитный резонанс, электронная микроскопия |
| Перспективные технологии | Синхротронное кольцо, магнитное разделение, ионная инжекция, магнитные подушки |
| Космос и океан | Инфракрасные датчики, СКВИДы, подводные кабели |
| Медицина | ЯМР-изображение, СКВИДы, ядерный магнитный резонанс |
| Информатика и связь | Высокоскоростные компьютеры, СКВИДы, подводные кабели |
| Транспорт | Аэропоезда, флот, СП-вентили, автотранспорт |
Красивая таблица перспективных направлений внедрения высокотемпературных сверхпроводников, показанная на рис. 7, перекрывает чуть ли не половину всего технического арсенала человечества, а сроки, когда все это сбудется, виделись совсем короткими. Судите сами, насколько оправдался этот прогноз, представленный в таблице рис. 8.
| Область применения | Эксперт | ||
| К.Ташикава | С.Танака | Н.Макино | |
| (Токийский университет) | (Мицубиси) | ||
| Суда со сверхпроводящим приводом Поезда на СП-магнитном подвесе Силовые линии электропередачи СП-генераторы Аккумуляторы электроэнергии Интегральные схемы на переходах Джозефсона СП-элементы интегральных схем Датчики магнитной напряженности Датчики излучения инфракрасного диапазона Системы исследования ядерного магн. резонанса Магнитные экраны СП-магниты в ускорителях элементарных частиц СП-комплектующие |
2000 2000 1995-2000 2000 2000 1990 1990 1990 1990 1990-1995 1990 2000 1990-1995 |
1997 1995-2000 2000 2000 2000 1990-1995 1990-1995 1995-2000 1990-1995 1990-1995 - 1995 1990 |
1990-1995 1995-2000 2000 1995-2000 1990-1995 1990 1990-1995 1990 1990 1990 1990-1995 1990-1995 1990-1995 |
Вот и вся (пока) история открытий в области физики сверхпроводимости. За рамками нашего рассказа остались разбитые надежды тех, кто не получил нобелевской премии, упущенные возможности тех, кто держал в руках ту самую керамику LaBaCuOx, но по бедности оборудования не смог померить ее проводимость (а это было, было у нас в стране, в Институте физхимии АН СССР, и не в 1986 году, а на несколько лет раньше), отрицательные результаты тех, кто “перепахивал” морфологическое множество керамик, но так и не нашел нужной. В науке так всегда: жемчужное зерно открытия предваряется громадным количеством труда и отрицательных результатов. Но отрицательный результат - это лучше, чем никакого результата, это тоже знание. Как получают это знание, автор попытался показать на примере вот этой узкой области физики.
В качестве эпилога этой истории (не исключено, что временного эпилога) сообщим, что сейчас темпы исследования ВТСП (ВысокоТемпературных СверхПроводников) приблизились к тем, что характерны для устоявшихся научных направлений, а поле основной работы сместилось к вопросам скорее техническим, чем научным: основные перспективы практического применения ВТСП связаны с электротехникой, а значит, с проводами; керамика же крайне хрупка, и сделать из нее провод для обмотки трансформатора, например, проблема не из простых. Другая трудность связана со стабильностью структуры ВТСП: большинство ВТСП-керамик обладают неприятным свойством старения и перехода в обычную (непроводящую) фазу; для практики это недопустимо.
А теории сверхпроводимости - нет как нет. Намек поняли? Нобелевский комитет ждет.
Ну а теперь, закончив исторический экскурс, вернемся к загадочной науке - логике.
 Метод морфологического ящика |
 Список работ |
 Немного логики |