відкриття надпровідності

Вперше гелій був зріджений в 1908 р Хайке Камерлінг-Оннес в Лейденському університеті, і з того часу стало можливим вивчати фізичні явища при температурах лише на кілька градусів вище абсолютного нуля (точка кипіння гелію при атмосферному тиску 4,2 К).

Один з напрямків досліджень стосувалося залежності опору металів від температури. Камерлінг-Оннес вже проводив подібні дослідження при температурах, що зменшуються аж до температури рідкого повітря (близько 80 До).

Для кількох чистих металів він виявив приблизно лінійну залежність, проте він встановив, що подібна залежність не може тривати безмежно, тому що в противному випадку при абсолютному нулі опір стало б негативним. Сер Джеймс Дьюар продовжив пошуки Камерлинг-Оннеса і досяг температури рідкого водню (20 К), при цьому з'ясувалося, що опір дійсно починає зменшуватися повільніше.

Саме цього і слід було очікувати, причому не тільки по вже названої причини, але також виходячи з прийнятих в той час уявлень про металах і їх властивості.

Вважалося, що електрична провідність здійснюється шляхом перенесення електронів, а опір виникає в результаті зіткнень електронів з атомами металів.

Лінійний характер зменшення опору цілком узгоджувався з наміченими змінами руху електронів при зниженні температури. Очікувалося, однак, що При досить низьких температурах електрони «конденсуються» на атомах, тоді опір при якійсь температурі повинно бути мінімальним, і потім метал повинен переходити в діелектрик.

Спостережуване в дійсності поведінку металів різко відрізнялося від передбачуваного. Камерлінг-Оннес виявив, що при зниженні температури опір більшості металів прагне до постійної величини, тоді як у деяких металів воно повністю зникає при певній, характеристичної, температурі, яка, як з'ясувалося, залежить від напруженості магнітного поля. Ці експерименти ставляться до числа робіт, за які Камерлинг-Оннес був удостоєний в 1913 р Нобелівської премії з фізики.

Протягом більше двох десятиліть саме зникнення опору вважалося головною, відмінною рисою надпровідності. Однак деякі особливості цього явища приводили вчених в замішання.

Так, якщо магнітне поле докласти до звичайного провідника (тільки не феромагнетика), частина магнітного потоку проходить через товщу провідника. Якщо ж прикласти його до ідеального провідника, в останньому індукуються поверхневі струми, які створюють всередині провідника магнітне поле, повністю компенсує прикладена зовнішнє поле, і тим самим підтримують всередині провідника нульове значення магнітного потоку.

Це означало, що стан провідника в магнітному полі залежить від того, яким способом цей стан було досягнуто - ситуація вкрай неприємна.

Пізніше, в 1933 р, В. Мейснер, Р. Оксенфельда і Ф. Хайденрейх показали, що метал, стаючи сверхпроводником, насправді виштовхує магнітний потік, якщо температура знижується нижче критичного значення, коли зразок знаходиться в магнітному полі.

Наступний етап дослідження полягав у вивченні знову відкритого стану при великих значеннях струму. Необхідність такого дослідження була продиктована наступним обставиною: якби опір насправді не дорівнювало нулю, то більший струм мав би приводити до більшого, а отже, і легше регистрируемому значенням різниці потенціалів.

Однак отримані результати лише ще більше заплутали ситуацію, так як спостерігалося «особливе явище: при будь-якій температурі нижче 4,18 К для ртутної нитки, укладеної в скляний капіляр, існувало якесь порогове значення щільності струму, при перевищенні якого характер явища різко змінювався. При щільності струму нижче порогової електричний струм проходить без скільки-небудь помітних різниць потенціалів, прикладених до кінців нитки. Це говорило про те, що нитка не володіє опором.

Як тільки щільність струму перевершувала порогове значення, з'являлася і різниця потенціалів, яка до того ж росла швидше, ніж сам струм ». Потім була поставлена ​​серія експериментів з метою знайти пояснення новому ефекту. Перш за все було помічено, що гранична щільність струму зростала зі зниженням температури - приблизно пропорційно відхиленню від температури переходу в надпровідний стан (до тих пір, поки різниця між температурами була не надто велика). Природно напрошувалося припущення, що через нагрівання, обумовленого якимсь ефектом, температура ртуті піднімалася вище точки переходу. Було поставлено завдання - знайти це джерело тепла.

Використовуючи різні конфігурації ртутної нитки, вдалося встановити, що тепло не підводилося зовні. Розглядався вплив домішок в ртуті, хоча в процесі перегонки вони повинні були бути видалені; досліди показали, що ефект нагрівання не пов'язаний з домішками, спеціально доданими в потрібних кількостях.

Далі було висловлено припущення, що, можливо, контакт ртутної нитки зі звичайним провідником, в будь-якому вигляді опинився в ній або освіченим всередині її, здатний анулювати надпровідні властивості ртуті. Для перевірки був узятий сталевий капіляр, але це не призвело до якихось певних результатів, і лише в подальшому, в результаті дослідів того ж типу на олові, це припущення було виключено. В цілому експерименти з ртуттю не дали відповіді на поставлене запитання.

Однак, як встановив Камерлинг-Оннес, ртуть була не цілком відповідним об'єктом для систематичних досліджень. «Спільна дія багатьох обставин призводило до труднощів при роботі з ртуттю в капілярах.

День експерименту з рідким гелієм вимагав величезної підготовки, і, коли справа доходила безпосередньо до описаних тут експериментів, на них залишалося лише кілька годин. Щоб за цих умов проводити точні вимірювання з рідким гелієм, необхідно заздалегідь намітити програму і швидко і методично виконувати її в день експерименту. Зміни в постановці експерименту, необхідність яких викликалася спостерігаються явищами, доводилося зазвичай вносити на наступний день.

Найчастіше, в зв'язку з деякою затримкою, обумовленою трудомісткістю процесу виготовлення опорів, гелієва установка використовувалася для будь-яких інших цілей. Коли ж ми могли знову зайнятися експериментом, траплялося, що приготовані опору виявлялися марними, так як при заморожуванні ртуті нитка розривалася, і всі наші зусилля ставали марними. У цих умовах для того, щоб виявити і виключити джерела несподіваних і вводять в оману перешкод, потрібно дуже великий час.

Крім того, бажано було охолоджувати зразок не через стінку капіляра, а шляхом його прямого контакту з рідким гелієм. Тому, коли Камерлинг-Оннес виявив, що олово і свинець мають властивості, подібними до властивостей ртуті, він продовжив експерименти з цими двома металами. Саме тоді мету і була вирішена.

По суті, надія на її рішення виникла вже під час проведення дослідів, в яких була виявлена ​​надпровідність свинцю. З нього можна було легко виготовити дріт, і було зроблено досить велика кількість дроти з поперечним перерізом 70 мм 2. Для одиночного провідника такого розміру порогове значення струму при 4,25 До становило 8 А. Далі цим проводом на осерді діаметром 1 см була намотана котушка довжиною 1 см містить 1000 витків. Обмотка мала шовкову ізоляцію, яка змочується рідким гелієм. Як виявилося, порогове значення струму становило лише 0,8 А.

У 1913 р інтерес до отримання сильних магнітних полів вже був досить великий, причому не викликало сумнівів, що основна проблема пов'язана з розсіюванням потужності в обмотці. Наприклад, Перрен запропонував використовувати для охолодження рідкий повітря; очікувалося, що завдяки зменшенню опору обмотки з пониженням температури зменшиться кількість виробленого в ній тепла, що дасть певний виграш.

Розрахунки показали, однак, що виграшу таким шляхом не досягти, в першу чергу це обумовлено тим, що дуже важко домогтися необхідної теплопередачі між імовірно компактної котушкою і охолоджувачем. Камерлііг-Оніес правильно оцінив можливості використання з цією метою надпровідників, звернувши увагу на те, що в них тепло взагалі не повинно виділятися. Говорячи про це, він, однак, допускав «можливість того, що магнітне поле може привести до виникнення опору в надпровіднику». І він приступив до дослідження цього питання.

«Були причини припускати, що цей ефект виявиться слабким. Прямий доказ того, що в надпровідниках під дією магнітного поля виникає лише незначний опір, було отримано, коли виявилося, що описана вище котушка залишається сверхпроводящей, якщо навіть через неї проходить струм 0,8 А. Поле самої котушки досягало в цьому випадку декількох сотень гаус , і в поле такого порядку величини перебувала велика частина витків, проте ніякого опору не спостерігалося ». Тому Камерлинг-Оннес створив таку установку для проведення цих експериментів, яка дозволила б вивчати явища, які спостерігаються лише в полях порядку кілогаусс.

Результати знову виявилися несподіваними. Надпровідну свинцеву котушку, використану в попередніх дослідах, поміщали в кріостат так, що площина витків була паралельна магнітному полю.

«Перш за все ми переконалися в Том, що котушка буде сверхпроводящей в точці кипіння гелію; вона залишалася сверхпроводящей і тоді, коли через неї пропускали струм 0,4 А, хоча витки перебували в помітному магнітному полі, створюваному протікає в них струмом.

Потім було докладено магнітне поле. При величині поля 10 кгс існував значний опір, при 5 кГс воно було дещо менше. Ці досліди досить переконливо показали, що магнітне поле при великій інтенсивності викликає поява опору в надпровідниках, а при малій - немає. В ході подальших досліджень була отримана залежність опору від поля.

Камерлінг-Оннес ще не був готовий до того, щоб зв'язати критичний струм з критичним значенням магнітного поля. Він не мав жодних сумнівів в тому, що відкрите тут явище пов'язане з раптовим виникненням при певній температурі звичайного опору в надпровідниках - цей зв'язок з'ясували інші дослідники. Проте можна було вважати, що фундамент закладено.

З плином часу, однак, парадокс, описаний на початку цієї глави, став вельми очевидним. Невелика зміна формулювання ще більше посилило його. Якщо речовина, перебуваючи в магнітному полі, повинно було переходити в ідеально провідний стан при зниженні температури, то пронизливий зразок магнітний потік в момент переходу мав би залишитися «вморожених» в нього і зберегтися при подальшому виключенні поля (якщо температура при цьому підтримується незмінною) .

Приготувавши таким чином різні зразки, можна було б створити безліч (в принципі нескінченна) різних станів, існуючих при однакових зовнішніх умовах, які, можливо, могли б навіть перебувати в тепловому контакті один з одним, т. Е. В стані рівноваги.

Аж до 1933 р подібна можливість не була спростована експериментально, а деякі експерименти, здавалося, навіть підтверджували її. Існували навіть і теоретичні міркування в її користь. І в цей момент Мейснер, вивчаючи перехід в надпровідний стан, був вражений появою своєрідного гістерезису: повернення монокристалла олова в нормальний стан відбувався при температурі, злегка перевищує температуру переходу в надпровідний стан.

Цей ефект спостерігався навіть тоді, коли опір в кожній точці вимірювалося при двох напрямках струму методом, спеціально розробленим для виключення термоелектричних явищ, якщо напрямок струму не змінювалося, ефект посилювався. Гістерезис наводив на думку про те, що явище пов'язане зі зміною проникності зразка.

Мейснер писав про це так: «Якби розподіл вимірюваного струму і створеного ним магнітного поля нічого не змінено, не було б підстави для виникнення гістерезисних явищ». Тому він разом зі своїми співробітниками припущення, що його проникність падає до нуля. Якби це взагалі мало місце, то жодна силова лінія поля не могла б закінчуватися на внутрішній поверхні порожнини надпровідника, тоді як експерименти з очевидністю показують, що ситуація саме така.

Минуло чимало років, перш ніж вдалося створити задовільну теорію надпровідності; по суті, це питання не було остаточно вирішено навіть в 1972 р Однак відкриття Мейснера принаймні дозволило дати задовільну макроскопічну трактування спостережуваних явищ.

Дж. Трігг "Фізика ХХ століття: Ключові експерименти"