Нобелевские премии. Ученые и открытия

Открытие явления сверхпроводимости было с энтузиазмом воспринято электротехниками, ибо вселяло надежды на создание высокоэффективных электрических машин. Однако довольно скоро выяснилось, что восторги были преждевременными. Проблема заключалась не только в сложности охлаждения проводника до сверхнизких температур, но и в том обстоятельстве, что сильные магнитные поля приводили к исчезновению сверхпроводимости. Лишь в начале 30-х годов были открыты сплавы, на которые магнитные поля не оказывали влияния.

В это время Вальтер Мёйснер и Р. Оксенфельд обнаружили явление «выталкивания» магнитного поля сверхпроводником. Этот интересный факт послужил основой для создания теории сверхпроводимости. Первые успехи в этом направлении принадлежат братьям Фрицу и Гейнцу Лондон.

Как и многие представители немецкой интеллигенции, братья Лондон в годы фашизма эмигрировали из Германии в Англию. В 1935 г., работая в Оксфордском университете, они создали феноменологическую теорию сверхпроводимости, предложив уравнения, описывающие поведение сверхпроводников в слабых магнитных полях.

Но лишь через 20 лет был сделан следующий, решающий шаг. В 1957 г. американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер построили микроскопическую теорию сверхпроводимости [9], где это явление описывалось с точки зрения квантовых представлений.

Еще в 1950 г. английский физик Герберт Фрёлих, также эмигрировавший из Германии в 30-е годы, разработал теорию сверхпроводимости, связав ее с так называемым электронно-фононным взаимодействием. В это же время аналогичные идеи высказывал Дж. Бардин из Иллинойсского университета. Согласно этим представлениям, электроны взаимодействуют между собой через колебания кристаллической решетки. При сверхнизких температурах тепловое движение в веществе практически исчезает, и тогда проявляются слабые колебания атомов, вызываемые электронами. Эти колебания подобны звуковым волнам, но вместе с тем имеют квантовый характер; в связи с этим советский ученый Игорь. Евгеньевич Тамм назвал их в 1930 г. фононами.

Следующий шаг в исследовании явления сверхпроводимости был сделан в 1956 г. Леоном Купером также из Иллинойсского университета. Он установил, что при сильном охлаждении вещества электроны в результате обмена фононами объединяются в пары. Эта сила связи очень слаба, и до Купера никто не предполагал, что она может играть сколько-нибудь существенную роль.

Современная теория сверхпроводимости (известная под названием «БКШ-теория») в ее окончательном виде была опубликована в 1957 г. Бардином, Купером и Шриффером, также сотрудником Иллинойсского университета. Она объясняет данное явление как движение Электронов через кристаллическую решетку; это весьма напоминает процесс, который был предложен в 1940 г. Л.Д. Ландау для объяснения явления сверхтекучести. В БКШ-теории исследуются также электро- и термодинамические свойства сверхпроводников. За выдающийся вклад в понимание столь сложного явления, как сверхпроводимость, три исследователя были удостоены в 1972 г. Нобелевской премии по физике. Для Джона Бардина это была вторая поездка в Стокгольм, так как в 1956 г. он уже получил Нобелевскую премию (вместе с Шокли и Браттейном) за создание первого полупроводникового прибора — транзистора.

Фазовые переходы

Перевоплощения жидкого гелия (переход в сверхтекучее состояние) и сверхпроводников — лишь единичные примеры фазовых переходов веществ. К такого рода явлениям относятся испарение и конденсация, плавление и затвердевание, изменение магнетизма при нагревании и т. д. Критические состояния вещества и переходы его из одной фазы в другую наблюдаются довольно часто, и ученые давно интересуются этими процессами. В 30-е годы некоторые ученые пытались выяснить общие закономерности таких критических явлений и объяснить их с термодинамической точки зрения. Особых успехов добился здесь Л.Д. Ландау. В 1937 г. в возрасте 29 лет он разработал общую теорию фазовых переходов второго рода, при которых не происходит резких изменений плотности вещества, концентрации компонентов и теплоты перехода. К такого рода переходам относятся: переход парамагнетик — ферромагнетик; переход парамагнетик — антиферромагнетик; переход металлов и сплавов из нормального в сверхпроводящее состояние; переход гелия в сверхтекучее состояние и т. д. Ландау рассматривал фазовые переходы второго рода как точки изменения симметрии: выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода. Например, в магнетике выше точки перехода спиновые магнитные моменты частиц ориентированы хаотически и одновременное вращение всех спинов вокруг одной и той же оси на одинаковый угол не меняет физических свойств системы. Ниже точки перехода спины имеют некоторую преимущественную ориентацию, и одновременный их поворот меняет направление магнитного момента системы.