Пионер сверхпроводимости

29 марта не стало известного физика, лауреата Нобелевской премии Алексея Алексеевича Абрикосова. Будучи учеником Льва Ландау, он во многом повторил его судьбу — в 19 лет сдал знаменитый «теоретический минимум» своему будущему наставнику, в 20 лет окончил Физический факультет МГУ (в 19 лет обучение окончил Ландау), в возрасте 27 лет уже защитил докторскую диссертацию, а через девять лет стал членом-корреспондентом РАН. Примечательно, что одна из первых работ ученого о сверхпроводниках второго рода, которая впоследствии принесла ему Нобелевскую премию, была опубликована в 1952 году, всего через год после защиты кандидатской диссертации. Несмотря на то, что Алексей Алексеевич внес значительный вклад во многие разделы теоретической физики, сверхпроводимость, как он сам говорил, «оставалась моей любимой областью».

«За пионерский вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей», — с такой формулировкой Нобелевский комитет в 2003 году присудил премию по физике Алексею Абрикосову, Виталию Гинзбургу и Энтони Леггету. Попробуем разобраться, за что именно был удостоен награды Алексей Алексеевич, что такое сверхпроводники, какой пионерский вклад был сделан и почему он оказался так важен для современной физики, и не только физики.

Сверхпроводники — это материалы, которые обладают строго нулевым сопротивлением ниже некоторой критической температуры. Открыты они были более ста лет назад, в 1911 году, голландским физиком и химиком Хейке Камерлинг-Оннесом. Благодаря этому открытию он стал первым ученым (из уже более чем десяти человек), которому явление сверхпроводимости принесло Нобелевскую премию.

Поначалу казалось, что загадка этого явления будет решена за сравнительно короткий срок. Говорят, что известный физик-теоретик Вольфганг Паули (кстати, тоже нобелевский лауреат) как-то в разговоре поручил заняться созданием теории сверхпроводимости одному из своих талантливых помощников. Тот не справился, и Паули решил, что его помощник просто недостаточно старателен. Однако сверхпроводимость и по сей день остается одним из самых «крепких орешков» современной физики, так что единой теории этого явления не существует до сих пор.

Первое теоретическое описание сверхпроводимости было дано братьями Фрицем и Хайнцем Лондонами в 1935 году. Так называемое «уравнение Лондонов» стало первым на тот момент объяснением эффекта Мейснера-Оксенфельда — неразрывно связанного с нулевым сопротивлением явления сильного диамагнетизма (или выталкивания магнитного поля из объема образца) в сверхпроводящих материалах. Это явление довольно часто используют как наглядную иллюстрацию сверхпроводимости. Левитирующие поезда на магнитной подушке, ховерборды или даже летающие над магнитом камни из фантастического материала анобтаниума в фильме «Аватар» — все это проявления эффекта Мейснера.

Следующим «кусочком мозаики» стала теория советских физиков Виталия Гинзбурга и Льва Ландау. Благодаря этой работе явление сверхпроводимости стало возможно описывать количественно. Однако теория не давала конкретных ответов о механизмах, или причинах, которые приводят к возникновению нулевого сопротивления в некоторых материалах. Тем не менее, теория Гинзбурга-Ландау прекрасно согласовывалась с экспериментальными данными по всем открытым на тот момент сверхпроводникам. Но практически сразу после ее публикации появились данные о новом типе сверхпроводящих тонких пленок, которые реагировали на магнитное поле иначе, чем предсказывала эта теория.

Именно эта научная проблема и заинтересовала ученика Льва Ландау — Алексея Алексеевича Абрикосова. Он не мог поверить, что теория его учителя неверна, ведь «она была столь красива и так хорошо описывала предыдущие результаты!» Вместе со своим другом Николаем Владимировичем Заварицким Абрикосов попробовал найти решение проблемы в рамках теории Гинзбурга-Ландау. И нашел.

Оказалось, что все дело в одной константе, так называемом параметре Гинзбурга-Ландау. Поскольку для всех ранее открытых сверхпроводников эта величина была очень маленькой, в теории другие ее возможные значения не рассматривались. Абрикосов решил посмотреть, что будет, если этот параметр будет больше, чем 1/√2 (такая конкретная величина является «пограничной» в теории Гинзбурга-Ландау). Оказалось, что этот случай позволяет предсказать существование сверхпроводников с «экзотическим» поведением — в сравнении с ранее изученными материалами. Абрикосов и Заварицкий назвали их «сверхпроводниками второй группы», а в настоящее время они известны как сверхпроводники второго рода.

Но эта работа Абрикосова стала лишь первой в череде публикаций, посвященных сверхпроводникам второго рода. Причем далеко не самой известной. Пролежав четыре года «под запретом» Ландау, в 1957 году наконец-то вышла знаменитая статья Алексея Абрикосова «О магнитный свойствах сверхпроводников второй группы», в которой предсказывалось существование «абрикосовских вихрей». Так теперь называют явление частичного проникновения магнитного поля в сверхпроводник, которое при этом не приводит к полному разрушению сверхпроводимости.

В сверхпроводники первого рода магнитное поле либо не проникает вовсе, либо, при достижении некого критического значения, оно полностью разрушает сверхпроводимость, и в материале появляется конечное ненулевое сопротивление. Оказалось, что так происходит не всегда. В сверхпроводники второго рода магнитное поле (выше первого критического значения) все-таки может проникать. При этом объем материала оказывается «пронизан» отдельными единичными квантами магнитного потока, каждый из которых экранируется от остального образца круговыми сверхпроводящими токами. Такие образования и называются вихрями Абрикосова. Если продолжать увеличивать магнитное поле, количество вихрей тоже будет увеличиваться. В какой-то момент их плотность достигнет максимально возможной величины (при магнитном поле, называемом верхним критическим) и весь образец перейдет в нормальное (несверхпроводящее) состояние.

На момент публикация статьи никаких экспериментальных доказательств существования магнитных вихрей в сверхпроводниках второго рода не было, поэтому ее не восприняли всерьез. О работе Абрикосова вспомнили уже в 1960-х. Впервые снимок решетки абрикосовских вихрей был сделан в 1967 году физиками из Института Макса Планка в Штутгарте, Германия. Сейчас посмотреть экспериментальные снимки вихревых решеток, наблюдаемых в различных материалах с момента их первого обнаружения, можно в Галерее вихрей Абрикосова на сайте Лаборатории сверхпроводников Университета Осло.

Почему открытие сверхпроводников второго рода оказалось таким важным для физики? Дело в том, что «несовместимость» сверхпроводников первого рода с магнитным полем очень сильно ограничивает возможность их применения. Критическое поле, выше которого сверхпроводимость разрушается, как правило, оказывается слишком маленьким. Для материалов второго рода ограничивающим является верхнее критическое поле, которое во много раз (иногда в тысячи раз) больше. Именно из сверхпроводников второго рода делают сверхсильные магниты для Большого адронного коллайдера, магнитно-резонансной томографии, установок по удержанию плазмы, например, в реакторе ИТЭР, и многого другого.

Уже после выхода основных работ Ландау, Гинзбурга и Абрикосова было найдено первое объяснение механизма возникновения сверхпроводимости — нобелевская теория Бардина-Купера-Шриффера. Однако ее постигла та же участь, что и теорию Гинзбурга-Ландау: вскоре были открыты материалы, свойства которых теория БКШ оказалась не в состоянии предсказать, — высокотемпературные сверхпроводники. Работу Гинзбурга-Ландау «спас» Абрикосов. И, видимо, теория БКШ тоже оказалась достаточно красивой, потому что Алексей Алексеевич попытался «спасти» и ее. Работая в Аргоннской национальной лаборатории в США, он создал собственную версию теории высокотемпературной сверхпроводимости, основанную на теории БКШ. Однако в научном сообществе ее не приняли (или не заметили). А поиски новых механизмов и новых теорий этого уникального явления продолжаются и по сей день.