Знание-сила, 1998 № 02 (848)

Камерлинг-Оннес также довольно быстро был увенчан Нобелевской премией, но вот дождаться теоретического объяснения своего открытия ему было не суждено. Куда девается сопротивление движению электронов, поняли лишь в 1957 физики из университета в Иллинойсе — Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер (в 1972 году и они получили Нобелевскую премию). Оказывается, при движении через вещество с кристаллической решеткой электроны могут объединяться в пары и тогда двигаться без сопротивления. Теоретики описывают процесс движения такой пары по сверхпроводнику, как движение «фонона» — пакета колебательной энергии.

Но это объединение возможно лишь при сверхнизких температурах и совсем «не работает» при температурах более высоких, а тем более комнатных. Во всяком случае, совершенно непонятно, как «куперовским парам» удается противостоять нагреву. Неужели первооткрывателям ВТСП также несколько десятилетий ждать, когда же ее объяснят? Все-таки события последних лет внушают осторожный оптимизм.

Перипетии «новейшей истории»

Первое предположение о том, что происходит при ВТСП, высказал физик из университета в штате Иллинойс Тони Легетт. Он предложил эксперимент, способный определить, как ведут себя электроны в обычных и высокотемпературных сверхпроводниках одинаково или нет. По его мнению, ключ к проблеме лежал в понятии симметрии. Дело в том, что в обычном сверхпроводнике спаренные электроны обладают симметрией S-волны, иначе говоря — сферической, когда нет выделенного направления. Большинство физиков считают, что и при повышении температуры сохраняется тот же механизм.

Но вот Дуглас Скальпино из Санта-Барбары в Калифорнии предложил в 1989 году радикальную идею. Он обратил внимание на то, что атомы — это крошечные магниты, причем расположенные в строгом порядке кристаллической решетки. У электронов тоже есть магнитный момент. Гипотеза Скальпино состоит в том, что взаимодействие между магнитными моментами может загнать электроны в пары.

Представьте, что прохождение электрона заставляет магнитный момент ближайшего атома перевернуться. Этот переворот повлияет и на соседние с ним атомы, они тоже могут сместить направление магнитного момента. После ухода электрона положение атомов еще некоторое время будет сохраняться и они смогут притянуть к себе другой проходящий электрон. Этот механизм называется «спиновыми флуктуациями», поскольку магнитные моменты у атомов и у электронов возникают благодаря их собственному вращательному моменту — спину, а флуктуации в структуре спинов кристаллической решетки могут привести к возникновению сил спаривания электронов.

Идея стала особенно привлекательной после того, как один из коллег Легетта, Дэвид Пайне, показал в 1992 году, что спиновые флуктуации действительно способны связать электроны в пары и даже противостоять разрушительному воздействию температурного нагрева. Один из важнейших моментов его гипотезы заключается в том, что пары возникают с другой формой симметрии — так называемой D-волной (см. рисунок). Если бы экспериментально удалось доказать, что для высокотемпературной сверхпроводимости реализуется именно D-волновая симметрия электронных пар, то идея получила бы колоссальную поддержку.

Эксперимент достаточно прост. Как и все квантовые частицы, электронные пары обладают волновыми свойствами. В S-волновом сверхпроводнике волна пары везде положительна, а в случае D-волны есть участки, где она отрицательна. Именно эту смену знака волны и планировал заметить Легетт в своем эксперименте. Для этой цели Дональд Гинсберг из университета штата Иллинойс вырастил кристалл высокотемпературного сверхпроводника не толще человеческого волоса, а по бокам его умудрился приладить десяток проводков и соединить их со сверхчувствительным измерителем магнитного поля. Первые же измерения показали, что распространяется D-волна.

Ван Харлиген, руководитель лаборатории, в которой трудятся Легетт и Пайне, говорил: «Эксперимент был предельно прост и нагляден. Некоторые противники нашей гипотезы повторяли его, чтобы доказать, что мы ошибаемся, но их измерения лишь подтверждали нашу правоту».

Почти сегодняшний день

Пока что эксперимент остается критерием истины в науке. После результатов 1993 года Пайне мгновенно стал главным экспертом в теории высокотемпературной сверхпроводимости. S-волновые теории постепенно отошли на задний план, а все остальные перестраивались так, чтобы согласовываться с D-волнами. Но не надо забывать, что эксперимент лишь обнаружил присутствие этих волн, но не показал, да и не мог показать, что их причина лежит в спиновых флуктуациях. Большинство экспертов сегодня верят в существование D-волн, но есть и другие гипотезы.