На первый взгляд в этом явлении в наши дни уже нет ничего загадочного. Как гром средь бела дня оно поразило Каммерлинг-Оннеса в начале нашего века, когда, охладив ртуть до температуры жидкого гелия, он обнаружил в ней полное отсутствие сопротивления электрическому току. Явление сверхпроводимости действительно несколько десятилетий оставалось необъясненным. Но теперь, как мы уже сказали, трудами советских и зарубежных физиков создана стройная теория этого удивительного явления. И сейчас ученые безошибочно называют, металлы-сверхпроводники.
предугадывают их свойства, определяют возможные пути использования.
Тем более интересна «ошибка» с бериллием, который уверенно причисляли к металлам, ни при каких условиях неспособным к сверхпроводимости. Как ни охлаждали бериллий, присущая ему кристаллическая решетка препятствовала прохождению электрического тока.
И вдруг... Пленочка бериллия спутала все карты. Правда, раньше ученым был известен еще один металл – висмут, пленки которого вопреки правилам становились сверхпроводящими. Но это долго считалось единственным исключением из общего правила.
А теперь и бериллий. Два случая – это уже не исключение. Значит, бериллий и висмут – представители группы веществ, не подчиняющихся известным нормам поведения.
Что же заставляет их изменять свои свойства? – размышляли ученые. И нет ли здесь связи с явлением низкотемпературного полиморфизма при пластической деформации, которому, кстати, подвержены оба металла. Может быть, при принудительной конденсации атомов висмута и бериллия на охлажденную пластинку образуется искусственная решетка, склонная к сверхпроводимости?
На справедливость этих предположений указывал простой опыт. Когда исследователи многократно нагревали, а затем замораживали пленку, она постепенно теряла свойства сверхпроводника. Так как при этом она не подвергалась никакой деформации, ее атомы, возможно, постепенно возвращались к своему обычному порядку – восстанавливалась решетка, не склонная к сверхпроводимости.
Не кроется ли в том, что подметили харьковские ученые, намек на богатую перспективу направленного изменения свойств металлов? Если один и тот же металл может проявлять различные качества в зависимости от способа его получения, если его атомы можно заставить строиться по-разному, значит перед техникой будущего открываются замечательные возможности управления свойствами вещества.
Примиренные враги
Не только бериллий и висмут, железо тоже считалось металлом, абсолютно неспособным к сверхпроводимости. До недавнего времени никто ни при каких условиях не мог получить сверхпроводящее железо. Но это ученых не удивляло. Этому имеется весьма веское основание.
Дело в том, что сверхпроводимость и магнетизм – исконные враги. Они просто не переносят друг друга.
Силовые магнитные линии упорно избегают сверхпроводник. В этом убеждает элементарный опыт. Если на пути магнитного поля поместить проволочку в сверхпроводящем состоянии, магнитное поле обежит ее, как морская волна бревно. Но если быть очень настойчивым и, увеличивая силу магнитного поля, стремиться втолкнуть его внутрь проволоки, оно действительно проникнет туда, однако... состояние сверхпроводимости в проволоке исчезнет.
Таким образом, одной из особенностей низких температур является несовместимость сильного магнитного поля и состояния сверхпроводимости.
Поэтому, сами понимаете, железо, которое является материалом магнитным, никак не может стать сверхпроводником. Разве только железо немагнитное... А где вы видели немагнитное железо?
Правда, немагнитное железо в нагретом состоянии никого бы не удивило. Французский ученый Пьер Кюри давно заметил: нагретое выше определенной температуры железо всегда теряет магнитные свойства. Температура, при которой размагничиваются стальные магниты, называется точкой' Кюри. Она лежит выше семисот градусов. Но немагнитное железо в холодном состоянии! Возможно ли это? Не парадокс ли вообще сверхпроводящее железо?
И все-таки ученые получили его, получили вопреки научной логике, наперекор природе. Произошло это в Ленинградском физико-техническом институте Академии наук СССР в лаборатории низких температур. Поначалу не обошлось без сомнений. Вряд ли это возможно, говорили многие видавшие виды ученые, прочтя публикацию о получении сверхпроводящего железа. И как винить их за скептицизм? Сомнения поддерживал многовековой человеческий опыт.
...Люди издавна привыкли к замечательному свойству железа образовывать вокруг себя магнитное поле и подчиняться ему. Стрелка компаса, послушная магнитным силовым линиям Земли, смотрит одним концом на север. Да и каждый атом железа подобен такой стрелке, на одном конце таящей свой миниатюрный северный полюс, а на другом – южный.
В теле железа можно натолкнуться на маленькие области, в которых целые полчища магнитиков выстроены в строгом порядке. Все северные полюсы их смотрят в одном направлении, южные – в другом. Магнитные силы стрелочек складываются, и в этом маленьком участке образуется чрезвычайно сильное магнитное поле. Такие области названы доменами, и в каждом куске железа их множество. Есть области, где все магнитики так же дружно «смотрят» совсем в другую сторону.
По всей толще большого и маленького кусков железа чередуются магнитные области, ориентированные самым хаотическим образом. Магнитные поля внутри отдельных доменов очень сильны, но ориентированы совершенно хаотически и в среднем уравновешивают друг друга, поэтому силовые линии не выходят на поверхность металла. Вот почему, как сильно ни охлаждать кусок железа, сверхпроводником он не станет: сверхпроводимость разрушается сильными внутренними магнитными полями, всегда существующими в отдельных доменах.
Но физики-теоретики, которым ничего не стоит в своем воображении оставить от куска железа совсем крошечный кусочек, тоненькую пленочку или даже просто горсть атомов, а потом с помощью формул и уравнений ощупать их, заглянуть в самую сущность, и на этот раз выведали у железа секрет его сверхпроводимости.
Они рассуждали примерно так. Крошечные атомы магнитики в куске железа не закреплены намертво.
Под влиянием различных сил они свободно поворачиваются относительно друг друга. Но управлять ими в куске металла очень трудно. Они дружно, всем коллективом, образующим домен, противодействуют внешним влияниям.
А если атомы железа осторожно один за другим «наклеивать» на очень холодную поверхность? Ведь тогда они накрепко примерзнут к своим местам и не смогут объединять свои слабые магнитные поля в единое поле домена. Вот тут-то, пожалуй, и можно получить несколько слоев атомов немагнитного железа.
Чтобы атомы, не успев повернуться, примерзали к пластинке, ее надо охладить до температуры жидкого гелия. Значит, если пленка будет немагнитной, она вполне может при такой температуре стать сверхпроводящей.
Лазейка для примирения магнитного железа и сверхпроводимости была найдена. Оставалось провести очень тонкий и весьма сложный эксперимент: получить сверхпроводящее железо не на бумаге, а в жизни. Ленинградским ученым, создавшим оригинальную установку, это удалось. Так люди впервые увидели сверхпроводящее, а значит, немагнитное железо.
Попытки получить тот же результат при охлаждении пленки железа, первоначально нанесенной на теплую поверхность, не увенчались успехом.
Даже при нанесении пленки на холодную поверхность оказалось, что надо было делать это достаточно медленно и осторожно. До сих пор ученым не удалось подробно исследовать физические свойства полученных пленок. При повышении температуры эти пленки разрушаются и, отделяясь от стеклянной поверхности в виде тончайших чешуек, осыпаются. По-видимому, при нанесении атомов железа на холодную поверхность действительно образуется новая, ранее неизвестная разновидность металлического железа, в котором не возникают области самопроизвольного намагничения, препятствующие возникновению сверхпроводящего состояния.
Сейчас ученые с интересом ожидают повторения этих-опытов в других лабораториях.
Изучение пленок металлов вызывает не только научный интерес. Эти пленки могут послужить прекрасным материалом для создания сверхминиатюрных ячеек кибернетических машин.
Представьте себе крошечное колечко из пленки сверхпроводника. Возбужденный в пленке ток будет циркулировать по колечку сколь угодно долго, не меняя своей величины, запоминая, какой сигнал вызвал появление этого тока. Такая ячейка куда компактнее, дешевле, экономичнее сложных элементов памяти, создаваемых из электронных ламп, магнитных барабанов, конденсаторов, которые сегодня используются в вычислительных машинах. Такие пленочные ячейки еще миниатюрнее и совершеннее, чем элементы памяти из сверхпроводящей проволоки (криотроны, персистатроны, персисторы). Подсчитано, например, что блок памяти, составленный из колечек сверхпроводящих пленок объемом в один кубометр, содержит 9 миллионов ячеек памяти. А это прямой путь превратить современные машины-динозавры в малюток.
Пока для целей запоминания ученые уже используют пленки олова, свинца и ниобия. Но уже ведется широкая цепь исследований по получению пленок 113 других металлов и сплавов, которые сделают элементы памяти еще надежнее, дешевле, проще в изготовлении.
Польза холода
Путь по следам оловянной чумы пройден недаром. Он привел в царство холода. И путешественник стал осматриваться, обживаться, знакомиться с новыми порядками, задумываться: не могут ли они быть полезны? Оказалось, что могут и послужить, и помочь, и пригодиться. Могут решить многие насущные проблемы техники.
Даже воздух, обыкновенный воздух в царстве холода становится другим, податливым и легко отдает свой кислород. В 1946 году Капица разработал очень эффективный и удобный способ выделения кислорода из воздуха в огромных количествах – десятками тонн в час. Теперь кислород широко используется во всем мире для автогенной сварки, для принудительного дутья в доменных, мартеновских, бессемеровских печах.
А водород, превратившись при низкой температуре в сжиженный газ, много легче расстается со своим тяжелым изотопом – дейтерием. Дейтерий очень сложно получить в обычных условиях, а на атомных станциях он нужен в больших количествах. Когда о новом способе получения этого ценного продукта, разработанном советскими учеными, рассказал не так давно на Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии доктор технических наук М.П. Малков, его сообщение было встречено с большим интересом.
Многие химические соединения, в нормальных условиях очень активные и опасные, можно обезопасить, «разорвав» на куски – радикалы, а затем хранить в замороженном виде, не боясь взрыва. Если их потом отогреть, они соединятся вновь. Эти консервированные радикалы не теряют своих свойств, так же как замороженные фрукты – витаминов.
Когда ядерной физике понадобилась легкая частица, ученые остановили свой выбор на ядре изотопа гелия. В отличие от обычного гелия, названного «гелием-4», его обозначают «гелием-3». Но в естественном гелии его содержится так мало, что надо переработать 20 тонн обычного гелия, чтобы получить всего 1 грамм изотопа. И процесс этот сложный, долгий, кропотливый. Вот почему «гелий-3» – самый дорогой в мире газ.
Харьковские ученые, изучая сверхтекучесть гелия, нашли более легкий способ получения «гелия-3». Оказывается, он не обладает свойством сверхтекучести, и на этом решили сыграть. Ученые охладили гелий. После этого он приходит в состояние сверхтекучести, но его изотоп не принимает в этом участия. И тогда, когда сверхтекучая часть просачивается через тончайший фильтр в дне сосуда, в самом сосуде остается изотоп.
Инженеры воспользовались низкой температурой для создания изящных вакуумных установок, заменивших прежние громоздкие. В них использовано свойство угля в изобилии поглощать при низкой температуре воздух. В новых установках воздух не выкачивается, а его атомы просто прилипают к охлажденному древесному углю, как мухи к липкой бумаге, создавая в установке вакуум.
Но особенно смелые мечты рождает у ученых явление сверхпроводимости. Отсутствие в металлах сопротивления току не может не будить воображение. Вот если бы проложить кабель из сверхпроводника от города к городу и передавать колоссальные мощности без всяких потерь! Или, например, свернуть из такого кабеля катушку и получать сверхсильные магнитные поля. До чего это было бы дешево и удобно!
Представьте себе, что ученые получили сверхпроводящее состояние при обычной температуре (причем выдерживающее сильные магнитные поля) и сделали сверхпроводящие электрические провода. Если бы это случилось, произошел бы переворот в электротехнике. Вся колоссальная мощность Куйбышевской ГЭС смогла быть передана, например, в Москву или на Урал по тонким телефонным проводам. Драгоценная электрическая энергия не тратилась бы зря на разогрев проводов.
Но эта мечта пока так и остается мечтой. Состояние сверхпроводимости наступает лишь при очень низких температурах. В нормальных условиях оно пропадает и пропадают все его преимущества и волшебные свойства. Поместить же тысячекилометровые линии высоковольтных передач на всем пути их следования в ванночки с жидким гелием – задача утопическая и смешная. Расходы по сооружению этой громоздкой системы перекрыли бы весь выигрыш от экономии передаваемой энергии.
Но мечта о сверхсильных магнитах претворилась в действительность уже сегодня.
Сверхпроводящие металлы позволили создать фантастические электромагниты, поддерживающие огромные магнитные поля без затраты электроэнергии. Они в этом отношении напоминают постоянные магниты из закаленной стали или специальных сплавов. Для того чтобы намагнитить кусок стали, достаточно поместить его внутрь проволочной обмотки и на мгновенье пропустить через нее электрический ток. Сталь намагничивается и сохраняет свои магнитные свойства и после выключения тока в обмотке.
Если возбудить круговой электрический ток в сплошном куске сверхпроводника или в замкнутой обмотке из сверхпроводящей проволоки, то ток в них, не встречая сопротивления, будет существовать и после выключения возбудившего его источника. А пока существует электрический ток, действует и окружающее его магнитное поле.
Так работает «постоянный» магнит из сверхпроводника. Он остается магнитом, пока сохраняется состояние сверхпроводимости, а некоторые сплавы остаются сверхпроводящими и при температурах около двадцати градусов выше абсолютного нуля.
Если обмотка магнита сделана из олова или свинца, то достижимое магнитное поле не очень велико. Обмотка же из ниобия позволяет получить в десятки раз более сильное поле. Но самые современные сверхпроводниковые магниты делаются из соединения ниобия с оловом или цирконием. Оно остается сверхпроводящим до минус 255 градусов, а магнит с такой обмоткой, помещенный в жидкий гелий, дает поле в десятки тысяч эрстед.
Но это, конечно, не предел. Теория, разработанная советскими физиками, лауреатами Ленинской премии Ландау, Абрикосовым, Гинзбургом и Горьковым позволяет сознательно подходить к задаче поиска новых сверхпроводящих сплавов. Она уже вскрыла ряд удивительных свойств сверхпроводящих пленок и позволила по-новому подойти к возможности получения сверхпроводящего состояния при обычных температурах. Впервые эта возможность была перенесена из области мечты в разряд серьезных научных задач американским ученым Литтлом. Он предположил, что некоторые полимеры могут оказаться сверхпроводниками и сохранять это свойство и при высоких температурах. Но расчеты Литтла были недостаточно убедительными. Лишь впоследствии молодые физики Ю.П. Бычков, Л.П. Горьков и И.Е. Дзялошинский доказали, что линейный сверхпроводник Литтла может существовать. Но пока это еще теория. Впереди много работы. Может быть, более перспективными окажутся не линейные полупроводники, а сверхпроводящие пленки. Во всяком случае, теоретически «теплый» сверхпроводник уже перестал быть монстром. Он стал реальной целью.
По мнению П.Л. Капицы, низкие температуры несут много новых надежд радиотехнике. Он приводит простой и убедительный пример. Радиоприемник на специальных элементах, некоторые части которого охлаждены до температуры жидкого гелия, приобретает такую повышенную чувствительность, как будто мощность радиостанции при этом подскочила в сотни раз. Конечно, гораздо легче проделать такую операцию, чем увеличивать на колоссальную цифру мощность передатчика.