Комментарий к событию

Сверхпроводимость и сверхтекучесть:
к истории открытий

А. А. Абрикосов	В. Л. Гинзбург	А. Леггетт

Нобелевская премия по физике в этом году была присуждена трем выдающимся ученым: А.А.Абрикосову, В.Л.Гинзбургу и А.Леггетту (Anthony J.Leggett) за развитие теории сверхпроводимости и сверхтекучести. Надо сказать, что эта уже седьмая Нобелевская премия за исследования в этой области физики: К.Оннес (1913), Л.Д.Ландау (1962), Дж.Бардин, Л.Купер и Р.Шриффер (1972), П.Л.Капица (1978), Г.Беднорц и А.Мюллер (1987), Д.Лее, Д.Ошерофф и Р.Ричардсон (1996). Исследования новых нобелевских лауреатов объединяет их первостепенный вклад в разработку теории вихревого состояния в сверхпроводниках и сверхтекучих жидкостях.

Микроскопическая теория сверхпроводимости была разработана Дж.Бардиным, Л.Купером и Р.Шриффером (БКШ) и Н.Н.Боголюбовым в 1957 году. В теории БКШ для описания эффекта спаривания электронов был использован вариационный подход для упрощенной модели (модели БКШ) электронного газа с притяжением. Н.Н.Боголюбов совместно с Д.Н.Зубаревым и Ю.А.Церковниковым в 1957 году обобщил свою концепцию сверхтекучести на сверхпроводимость электронов и получил точное решение модели БКШ, что позволило подтвердить вариационное решение БКШ. В это же время Н.Н.Боголюбов решил уравнения для сверхпроводника для более реалистической модели металла, в которой взаимодействие электронов с колебаниями решетки учитывается в явном виде. Всемирную известность приобрел изящный метод "u-v" преобразования Н.Н.Боголюбова для описания квазичастиц в сверхпроводящем состоянии как линейной комбинации электрона и дырки. Первоначально этот метод был предложен Н.Н.Боголюбовым в микроскопической теории сверхтекучести.

До создания микроскопической теории сверхпроводимости для описания магнитных свойств сверхпроводников пользовались феноменологической теорией Ф.Лондона и Х.Лондона, разработанной ими в 1935 году. Однако эта теория имела существенные недостатки при описании явления проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Существенный прогресс в этом направлении был сделан В.Л.Гинзбургом и Л.Д.Ландау, которые в 1950 году предложили новую феноменологическую теорию для описания электродинамических свойств сверхпроводников. Авторы этой теории постулировали существование параметра порядка в сверхпроводящей фазе и взаимодействие ее с магнитным и электрическим полем. Замечательным свойством теории Гинзбурга-Ландау была возможность построить термодинамику сверхпроводника во внешнем магнитном поле и описать процесс разрушения сверхпроводящего состояния в сильных полях. При этом совершенно неважна была микроскопическая природа параметра порядка, которая, как потом было показано Л.П.Горьковым в микроскопической теории сверхпроводимости, была связана с образованием куперовских пар. Первоначально даже Л.Д.Ландау приписывал параметру порядка заряд одного электрона, в то время как он должен был быть равен заряду куперовской пары, то есть двум электронным зарядам.

Заслугой А.А.Абрикосова явилось исследование феноменологических уравнений Гинзбурга-Ландау в нехарактерной для обычных сверхпроводников ("первого рода") области малых корреляционных длин (по сравнению с глубиной проникновения магнитного поля). Решение нелинейных уравнений Гинзбурга-Ландау в этой области (которую Л.Д.Ландау считал "неинтересной", поскольку в то время были известны только сверхпроводники первого рода) привело А.А.Абрикосова в 1957 году к открытию нового физического явления появления в сильном магнитном поле вихрей, в которых сверхпроводящее состояние разрушено. Такие сверхпроводники, в которых сосуществуют сверхпроводящие пары и магнитные вихри, получили название сверхпроводников "второго рода". Это теоретическое открытие было в дальнейшем подтверждено в различных экспериментах, как при прямом визуальном наблюдении "вихревой решетки Абрикосова" на поверхности сверхпроводника с помощью мелкодисперсных магнитных частиц, так и с помощью малоуглового рассеяния нейтронов, проникающих в глубь сверхпроводника.

Поведение вихревой решетки во внешнем магнитном поле существенно влияет на проводящие свойства сверхпроводника в этом поле. Если вихри недостаточно сильно закреплены на кристаллической решетке (слабый "пиннинг"), то под действием силы Лоренца они начинают двигаться и сверхпроводник перестает быть идеальным проводником с нулевым сопротивлением. Особенно большое значение эта проблема приобрела после открытия высокотемпературной сверхпроводимости в купратах в 1986 году. Высокая температура сверхпроводящего перехода, порядка 100 градусов по абсолютной шкале Кельвина (-173^oС), позволяет использовать эти сверхпроводники при охлаждении их с помощью жидкого азота, что во много раз дешевле применения жидкого гелия. Поэтому первоначально возникли большие надежды на использование купратных сверхпроводников в технике. Хотя эти сверхпроводники, являясь "сильными" сверхпроводниками второго рода, выдерживают мощные магнитные поля, вихревая решетка их слабо закреплена и необходимы специальные усилия, чтобы подавить дрейф вихрей в магнитном поле и обеспечить нулевое сопротивление. Как закрепить открытую А.А.Абрикосовым в 1957 вихревую решетку одна из самых важных задач в проблеме высокотемпературной сверхпроводимости.

Другое макроскопическое квантовое явление при низких температурах: сверхтекучесть жидкого гелия (изотопа He4), открытое П.Л.Капицей в 1938 году, - также не получило сразу микроскопического объяснения. Наиболее успешной для описания сверхтекучих свойств жидкого гелия оказалась феноменологическая теория Л.Д.Ландау. В основе его теории лежало предположение о существовании двух типов возбуждений в сверхтекучей фазе гелия: фононов с линейной зависимостью энергии от импульса и ротонов со щелью в спектре возбуждений. Такой спектр обеспечивал сверхтекучие свойства жидкости, но никак не был связан с другим замечательным явлением в квантовых системах одинаковых частиц бозе-конденсацией при низких температурах, когда все частицы скапливаются на низшем энергетическом уровне. На возможную связь этих явлений указывала близость температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние и теоретически вычисленной температуры бозе-конденсации атомов гелия без учета их взаимодействия, порядка 2 градусов по абсолютной шкале Кельвина.

В 1947 году Н.Н.Боголюбовым была впервые сформулирована микроскопическая теория сверхтекучести для модели слабо неидеального бозе-газа, в которой ему удалось связать эти два замечательных квантовых явления. При этом им было показано, что спектр возбуждений состоит только из одной ветви. Это открытие было учтено Л.Д.Ландау, который в окончательной версии феноменологическаой теории ввел единый спектр, плавно связывающий фононную и ротонную ветви. Следует отметить, что экспериментальные исследования спектра возбуждений в жидком гелии, проводимые в том числе в Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ, подтвердили этот вывод о едином спектре и, более того, доказали, что при переходе в сверхтекучее состояние возникает и бозе-конденсация атомов гелия.

Существенный вклад в развитие теории бозе-конденсации и ее связи с другими макроскопичесими квантовыми явлениями внес А.Леггетт. Особого внимания заслуживают его работы 70-х годов, когда было открыта сверхтекучесть другого изотопа атомов гелия, He3. Этот изотоп имеет полуцелый ядерный спин и ведет себя подобно сверхтяжелому электронному газу, но без заряда. При сверхнизких температурах возникает спаривание этих атомов гелия, но в отличие от куперовских пар с нулевым спином, пара атомов гелия образует связанное состояние со спином единица и орбитальным моментом, равным также единице. Поэтому свойства такого анизотропного сверхтекучего состояния существенно отличаются от изотропной сверхтекучести атомов He4. А.Леггетту первому удалось объяснить сложную фазовую диаграмму перехода гелия-3 в сверхтекучее состояние. В последнее время им были получены важные результаты при исследовании образования вихрей во вращающемся сосуде со сверхтекучей жидкостью атомов гелия-3. Подобно магнитному полю в сверхпроводниках, вращение приводит к появлению вихрей нормальной фазы в сверхтекучей компоненте и постепенному разрушению сверхтекучести через образование турбулентного (неупорядоченного) состояния в системе вихрей.

Профессор Н.М. Плакида