Возвращение кистокам: нобелевская премия — про космос и вселенную и нашу жизнь.

В текущем году верховная приз за выдающиеся заслуги в изучении физики будет равна примерно 1 миллионна 100 тысяч евро

Холодные умы

За более чем столетнюю историю Нобелевских премий практически любая восьмая премия в области физики была присуждена за исследования низких температур, не смотря на то, что физическая наука так же богата и разнообразна, как окружающая природа. Чем же так завлекает ученых это направление? Оказывается, при температурах, родных к полному нулю, квантовые особенности вещества становятся «видны невооруженным глазом» и появляются новые необыкновенные явления.

Самые необычные их них — сверхтекучесть и сверхпроводимость.

Так уж сложилось, что российские физики ровно половину собственных Нобелевских премий взяли за вклад в изучение особенностей веществ при низких температурах. Тут нечайно приходят на ум классические русские морозы. Но в случае если сказать без шуток, то развивавшая это направление лаборатория, основанная Петром Леонидовичем Капицей в 30х годах прошлого века, продолжительное время была одной из ведущих в мире.

Сам Капица взял Нобелевскую премию во второй половине 70-ых годов двадцатого века «за основополагающие работы в области физики низких температур», что в действительности свидетельствует ни большое количество ни мало как открытие явления сверхтекучести во второй половине 30-ых годов XX века. А один из отечественных известных теоретиков Лев Давидович Ландау в первой половине 60-ых годов двадцатого века был отмечен Нобелевской премией «за разработку новых теорий для описания конденсированных сред, в особенности жидкого гелия».

Виталию Лазаревичу Алексею и Гинзбургу Алексеевичу Абрикосову Нобелевская премия этого года присуждена за теоретические работы полувековой давности. Созданные ими теории разрешили в то время без шуток продвинуться на пути объяснения сверхпроводимости, а по прошествии 50 лет не только не утратили актуальности , но и были востребованными в связи с возникновением новых материалов. Третий лауреат Нобелевской премии в области физики 2003 года — англичанин Энтони Леггетт.

В 70х годах он сформулировал и обосновал теорию, которая растолковала, как атомы гелия3 взаимодействуют и распределяются в сверхтекучем состоянии. Эта очень занимательная неприятность конкретно связана с не решенными до сих пор задачами об турбулентности и образовании хаоса. Но нельзя объять необъятное, и в данной статье мы ограничимся рассказом о сверхпроводимости — правильнее, о теоретических достижениях в данной области, за каковые в 2003 году стали лауреатами премии русские ученые.

Тайная сверхпроводимости

Сверхпроводимость исследуют уже около сотни лет, по окончании того как голландец Хейке Камерлинг-Оннес наблюдал это необыкновенное явление в 1911 году. Начав с золота и исследований платины, он скоро перешел к опытам с ртутью, которую по тем временам было значительно несложнее очистить от примесей.

И вот в одном из первых же опытов электрическое сопротивление ртути, охлажденной до температуры около 4 К, внезапно провалилось сквозь землю совсем, стало легко равняется нулю с той точностью, с которой в то время его возможно было измерить. Сначала думали, что сопротивление при сверхпроводимости легко весьма и мало, но неспешно заключили , что это совсем особенное состояние вещества.

Заберём для сравнения колечко из весьма хорошего проводника (к примеру, чистой меди), по которому течет электрический ток. Не пройдет и микросекунды по окончании выключения источника, как ток в таком кольце всецело провалится сквозь землю. А вдруг создать ток в сверхпроводящем кольце, он будет течь в том месте фактически сколь угодно продолжительно, пока мы это кольцо не нагреем либо не приложим магнитное поле, достаточное для разрушения сверхпроводимости. И это не предположения, а экспериментальный факт.

За весь год наблюдений кроме того самые чувствительные устройства не смогли зарегистрировать ни мельчайших показателей уменьшения величины тока, текущего в изолированном от всяческих источников сверхпроводящем кольце!

По окончании открытия сверхпроводимости, за ртутью были изучены различные металлы-сверхпроводники, их свойства и поведение в магнитном поле. Шли десятилетия, накапливался экспериментальный материал, но никакого теоретического обоснования отыскать не получалось. В первой половине 30-ых годов XX века узнаваемый физик Бете писал: «Как велики удачи теории при объяснении обычных явлений проводимости, так же мало удалось сейчас сделать в отношении ответа задачи о сверхпроводимости».

Таковой теоретический вакуум существовал до 1950 года, пока наконец Гинзбургу и Ландау не удалось сделать первый серьёзный ход на пути объяснения необычных особенностей материалов при низких температурах.

Теория Гинзбурга-Ландау

К середине 30х годов в научном сообществе уже в полной мере сложилось вывод, что сверхпроводимость — квантовое явление и требует для собственного описания привлечения законов квантовой механики. Гинзбург и Ландау не только лучше всех совладали тогда с данной задачей, но и показали незаурядную научную интуицию, которая разрешила им выдвинуть предположение, появлявшееся в итоге ключом к пониманию природы сверхпроводимости. Как мы знаем, электрический ток — не что иное, как перемещение электронов.

Возможно подойти к этому вопросу с микроскопических позиций: раздельно разглядывать перемещение каждого электрона и его сотрудничество с атомами решетки, среди которых он перемещается, а после этого статистически суммировать свойства всех электронов, каковые участвуют в создании тока. А Гинзбург и Ландау в собственной теории ввели одну макроскопическую функцию, считая поведение всех сверхпроводящих электронов согласованным (либо, как говорят физики, когерентным). И не смотря на то, что теория Гинзбурга — Ландау не давала ответа на вопрос о том, из-за чего такая согласованность появляется, она разрешила растолковать большая часть результатов экспериментов и угадать многие свойства и красивые эффекты сверхпроводимости сверхпроводящих пленок.

Примечательно, что в теории Гинзбурга — Ландау среди множества параметров был один, имеющий размерность заряда, по поводу которого у авторов так и не сложилось единого мнения к моменту публикации статьи в первой половине 50-ых годов двадцатого века. Пара позднее, сравнив выводы теории с имевшимися в то время экспериментальными данными по сверхпроводимости, Гинзбург заключил , что эта величина образовывает приблизительно два-три заряда электрона.

Но совсем суть ее стал ясен лишь по окончании разработки микроскопической квантовой теории сверхпроводимости БКШ (по имени авторов — Бардин, Купер и Шриффер, — взявших Нобелевскую премию в первой половине 70-ых годов двадцатого века). Все дело появилось в образовании пар из двух электронов, так называемых «куперовских пар». По окончании разработки теории БКШ было продемонстрировано, что тот самый параметр теории Гинзбурга — Ландау в точности равен двойному заряду электрона. «Любопытно, — вспоминает Гинзбург, — что такая несложная, казалось бы, идея никому не пришла в голову — в частности, ни мне, ни Ландау».

без сомнений, верховная оценка теории — признание со стороны экспериментаторов. Вот вывод одного из ведущих экспертов по сверхпроводимости доктора наук Гарвардского университета Майкла Тинкхама: «Теория Гинзбурга — Ландау сейчас всемирно признана как блестящее достижение физической интуиции.

Она в самой несложной форме высказывает макроскопическую квантово-механическую природу сверхпроводящего состояния и имеет важное значение для понимания неповторимых электродинамических особенностей этого состояния». Сейчас теория Гинзбурга — Ландау широко применяется в физике сверхпроводников для расчетов в условиях сильных магнитных полей. Она оказывается применима ко многим вторым областям, включая физику элементарных частиц и теорию струн.

И именно она полвека назад послужила отправной точкой для Абрикосовым теории другого класса материалов — сверхпроводников второго рода.

Сверхпроводники второго рода

Сверхпроводники необычны не только собственными электрическими, но и магнитными особенностями. Уже на следующий год по окончании открытия сверхпроводимости было найдено, что это состояние возможно уничтожить, не только нагревая пример, но и помещая его в относительно не сильный магнитное поле. Поле, при котором разрушается сверхпроводимость, назвали критическим.

В первой половине 30-ых годов XX века Мейснер и Оксенфельд на опыте продемонстрировали, что в случае если внешнее магнитное поле меньше критического, оно не попадает вовнутрь сверхпроводника и неизменно в нем равняется нулю, как и электрическое сопротивление. Но прошло очень мало времени, и были отысканы сверхпроводники с другими особенностями, в которых магнитное поле все же присутствует, но в очень необычной форме. Первыми, в 1935—1936 годах, о аналогичных наблюдениях сказали физики из Харькова, трудившиеся под управлением Л.В. Шубникова.

Было нужно усложнить задачу и поделить сверхпроводники на два сорта. Одни, в которых магнитное поле в сверхпроводящем состоянии постоянно остаётся равным нулю, стали называться сверхпроводников первого рода. К ним относятся все сверхпроводящие металлы, не считая ниобия.

А другие стали называться сверхпроводниками второго рода — это ниобий и все узнаваемые химические соединения и сверхпроводящие сплавы.

В первый раз термин «сверхпроводник второго рода» ввел Абрикосов в собственной хорошей работе 1957 года. Он отыскал так необыкновенное ответ уравнения Гинзбурга — Ландау, что три года не решался опубликовать собственные результаты. Да и по окончании публикации к данной работе сначала отнеслись с недоверием.

И только через пара лет, в то время, когда экспериментаторы наконец убедились, что сложное поведение сверхпроводящих сплавов в магнитном поле соответствует теории Абрикосова, она взяла общее признание.

Вихри Абрикосова

Явление, теоретически предсказанное Абрикосовым для сверхпроводников второго рода, именуют «вихрями Абрикосова». Внешнее магнитное поле попадает в такие сверхпроводники очень необычно: в то время, когда оно делается достаточно сильным, в материале начинают формироваться нити (вихри) в виде узких цилиндров, где вещество находится в обычном, несверхпроводящем состоянии, а около этих нитей так же, как и прежде течет сверхпроводящий ток.

В случае если и дальше увеличивать магнитное поле, число вихрей с обычным состоянием делается все больше. В итоге места для сверхпроводимости не остается, и она исчезает.

Подобно тому как силовые линии магнитного поля от простого магнита возможно «показать» посредством железных опилок, имеется возможность заметить и вихри Абрикосова. Лишь для этого требуются более красивые опыты. Один из первых таких опытов проделали во второй половине 60-ых годов XX века германские физики Эссман и Тройбл.

Они нанесли узкую органическую пленку на торцевую поверхность сверхпроводящего цилиндра из сверхпроводника второго рода и перевели его в смешанное состояние, приложив магнитное поле. Затем на торцевую поверхность был напылен узкий слой ферромагнитного порошка. Частицы порошка более близко оседали на поверхность в местах скопления магнитных силовых линий — в центрах вихрей.

Отделив после этого органическую пленку от сверхпроводника и поместив ее в электронный микроскоп, ученые взяли возможность налюбоваться необычной решеткой из вихрей.

Теоретическая работа Абрикосова предопределила развитие целого направления в физике сверхпроводников. Так как сверхпроводники второго рода смогут оставаться сверхпроводящими в весьма сильных магнитных полях и, как выяснилось позднее, при более больших температурах. Как раз к этим материалам приковано в последние пара десятилетий общее внимание, потому, что среди них удалось найти так именуемые «высокотемпературные сверхпроводники». Дабы перевести такие соединения в сверхпроводящее состояние, уже не нужно жидкий гелий,

а достаточно значительно более недорогого и дешёвого жидкого азота.

Вперед и вверх, а в том месте

Сейчас сверхпроводящие элементы — обязательный атрибут самых правильных устройств для магнитных малых полей и измерения напряжений, без них нереально создать высокочувствительные сверхсильные магниты и детекторы излучений. Сверхпроводники лежат в базе устройств для магнитно-резонансной томографии, потому, что владеют достаточной чувствительностью, дабы зафиксировать трансформации магнитных полей головного мозга, в тысячи раз более не сильный, чем окружающее нас магнитное поле Почвы.

Но один барьер все же никак не удается преодолеть — необходимость создавать и поддерживать низкие температуры. Не обращая внимания на финансовые затраты и колоссальные усилия, поиск высокотемпературных сверхпроводников продвигается с трудом. Он больше напоминает стрельбу по мишени в чёрной помещении, потому, что теоретического объяснения особенностей таких соединений пока не отыскано.

Но когда эксперимент и теория и тут придут наконец к обоюдному согласию, мы, несомненно, станем свидетелями новой научно-технической революции.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№14, декабрь 2003).

10 НЕОЖИДАННЫХ ФАКТОВ ПРО НОБЕЛЕВСКУЮ ПРЕМИЮ

Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме:

Нобелевские премии года 2011 года

По традиции первыми объявляют лауреатов в номинации «физиология либо медицина», на следующий сутки — в номинации «физика», и вдобавок днем позднее —…
Нобелевские премии 2012 года

Разработка клонирования Схема клонирования, использованная Гёрдоном: уничтожение ядра в икринке шпорцевой лягушки Xenopus laevis посредством УФ-излучения…
Нобелевские премии 2010: нобель ишнобель

Первым лауреатом стал британский биолог Роберт Джеффри Эдвардс, создавший в сотрудничестве с врачом-гинекологом Патриком Кристофером Стептоу (1913 —…
Нобелевские премии’2014 вдеталях

медицина и Физиология: навигация в нас Номинация: за открытие клеток, составляющих совокупность позиционирования в мозге. Лауреаты Джон О Киф (Центр по…
Нобелевские премии 2013

Зеркально-симметричная молекула 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена — первый объект компьютерного моделирования, доказавший действительность создания гибридных…
По мнению thomson reuters химик из россии может получить нобелевскую премию

Thomson Рейтерс назвало адъюнкт-доктора наук МФТИ Валерия Фокина претендентом на получение Нобелевской премии по химии 2013 года. 25 сентября 2013 года…