Штурм абсолютного нуля - Бурмин Генрих Самойлович Страница 22

Изучение курса и сдача экзаменов было делом добровольным. Никакого удостоверения или справки сдавший теоретический минимум не получал. Достаточно было, что после его фамилии Ландау делал в своей записной книжке соответствующую пометку.

Студенты, проявившие в процессе сдачи теоретического минимума достаточные способности, как правило, оставались в аспирантуре у Ландау либо у его учеников.

Составной частью школы Ландау был теоретический семинар.

На семинаре царила творческая, непринужденная обстановка. Обсуждались разнообразные проблемы теоретической физики, и каждый мог выбрать направление, которое ему больше по душе. Здесь всячески поощрялся свободный обмен мнений.

На семинаре Ландау Абрикосов окончательно встал на путь физика — теоретика. В 1948 году, по окончании университета, он поступил в возглавляемый Ландау теоретический отдел Института физических проблем.

«Ввиду краткости жизни мы не можем позволить себе роскошь тратить время на задачи, которые не ведут к новым результатам», — писал Ландау в одной из своих статей.

Существенно новые результаты Ландау получил и в области сверхпроводимости.

Он разработал теорию промежуточного состояния сверхпроводников, показал, что в этом состоянии сверхпроводник состоит из последовательности нормальных и сверхпроводящих слоев, определил влияние внешнего поля на размеры и форму слоев, ввел понятие о поверхностном натяжении между нормальной и сверхпроводящей фазами.

В 1950 году Л. Д. Ландау вместе с другим известным советским физиком В. Л. Гинзбургом создали теорию сверхпроводимости, основанную на теории Ландау фазовых переходов второго рода. Эта теория уже тогда, то есть за несколько лет до появления теории БКШ и работ Боголюбова, позволила объяснить ряд существенных свойств сверхпроводников.

Продолжить эти исследования выпало на долю ученика Ландау, Абрикосова. Основываясь на уравнениях Гинзбурга — Ландау и результатах собственных исследований, он построил в 1957 году теорию сверхпроводящих сплавов.

Несколько позже другой ученик Ландау, Л. П. Горьков (его портрет внизу), сумел вывести уравнения Гинзбурга — Ландау из теории БКШ и объяснить физический смысл некоторых величин, введенных в эти уравнения, природа которых оставалась не вполне ясной. Разработанная советскими учеными теория сверхпроводимости металлов и сплавов получила в науке название ГЛАГ (Гинзбург — Ландау — Абрикосов — Горьков).

В 1964 году А. А. Абрикосова избирают членом- корреспондентом Академии наук СССР, а в 1968 году ему совместно с В. Л. Гинзбургом и Л. П. Горьковым присуждают Ленинскую премию за разработку теории сверхпроводящих сплавов и свойств сверхпроводников. Л. Д. Ландау был удостоен этой высшей научной награды СССР в 1962 году.

С 1965 года Абрикосов работает в Институте теоретической физики Академии наук СССР. Одновременно он заведует кафедрой теоретической физики Московского института стали и сплавов.

В 1987 году А. А. Абрикосов избран действительным членом Академии наук СССР.

Нам предстоит рассмотреть, как теория Абрикосова объясняет «странное» поведение сверхпроводящих сплавов.

Понять эту проблему поможет следующий пример, взятый из другой области физики.

Две или большее количество небольших водяных капель легко соединяются в одну большую каплю. Однако обратного процесса самопроизвольного разделения одной капли на несколько мелких капель не происходит.

Это явление объясняется наличием поверхностного натяжения, вследствие которого при уменьшении общей поверхности освобождается энергия.

Единая сферическая капля имеет минимальную поверхность для данного количества воды, и процесс самопроизвольного разделения на капли не осуществляется, потому что он должен привести к большей поверхности, что требует затраты энергии.

Поверхность раздела между двумя жидкостями обладает положительной поверхностной энергией. Но возможно положение, при котором эта энергия становится отрицательной.

Если предположить, что самопроизвольное сокращение поверхности раздела при положительном поверхностном натяжении объясняется наличием на этой поверхности упругой растянутой пленки, то поверхность раздела с отрицательным поверхностным натяжением должна представлять собой упругую сжатую пленку, которая может самопроизвольно расширяться.

Абрикосов ввел понятие о двух группах (родах) сверхпроводников.

Сверхпроводники первого рода обладают положительной поверхностной энергией между нормальной и сверхпроводящей фазами, а сверхпроводники второго рода — отрицательной поверхностной энергией между фазами.

К сверхпроводникам первого рода относятся практически все чистые металлы, а к сверхпроводникам второго рода — сплавы, а также тонкие пленки.

При этом сверхпроводник первого рода можно перевести во второй род путем внедрения посторонних примесей либо какого‑нибудь другого нарушения периодичности кристаллической решетки.

Примечательно, что ниобий долгое время считался «отщепенцем» среди металлов. Его относили к сверхпроводникам второго рода. Однако, когда удалось получить особо чистый образец ниобия, он занял свое «законное» место среди сверхпроводников первого рода.

Эффект Мейснера обусловлен положительным поверхностным натяжением между сверхпроводящим и нормальным состояниями в металле. Магнитное поле выталкивается из толщи образца, так как для образования большей поверхности раздела между сверхпроводящей и нормальной областями понадобилась бы значительная энергия.

Наоборот, отсутствие эффекта Мейснера должно указывать на отрицательное поверхностное натяжение. При этом условии сверхпроводник может как угодно разделяться на сверхпроводящие и нормальные области.

Поведение в магнитном поле сверхпроводников второго рода оказалось удивительным.

При увеличении внешнего магнитного поля, начиная с нулевого значения, магнитное поле первоначально не проникает в толщу образца.

Достигнув некоторого значения Нк1, называемого нижним критическим полем, сплав переходит в смешанное состояние. При этом магнитное поле проникает в сверхпроводник постепенно, в виде сгустков силовых линий, называемых абрикосовскими вихрями.

Внутри сгустка сверхпроводимость разрушается, но каждый сгусток окружен кольцевыми сверхпроводящими токами. Отсюда и название — вихри.

Эти вихри — квантовые. Магнитный поток, содержащийся в каждом вихре, строго равен одному кванту.

Итак, сверхпроводник оказывается пронизанным вихревыми нитями. Эти вихри, оси которых ориентированы в направлении силовых линий магнитного поля, образуют треугольную решетку. При этом в пространстве между вихрями вещество остается сверхпроводящим. Вместе с тем эффект Мейснера не проявляется. Магнитное поле в виде вихревых нитей проникает в толщу сверхпроводника.

При увеличении поля, начиная с нижнего критического поля, возрастает число вихревых нитей, и они сближаются. Соответственно увеличивается объем, занятый нормальными областями. Когда поле возрастает до величины Нк2, называемой верхним критическим полем, сверхпроводимость полностью разрушается. Вещество переходит в нормальное состояние.

Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, с полной достоверностью подтвердили теорию Абрикосова.

Наиболее простой эксперимент, демонстрирующий образование магнитных вихрей при переходе сверхпроводника в промежуточное состояние, заключается в том, что плоская поверхность испытываемого образца покрывается ферромагнитным порошком.

Силовые линии магнитного поля пронизывают вихревые участки и выходят из образца в хех точках поверхности, которые соответствуют положениям вихревых нитей. Ферромагнитный порошок притягивается полем и скапливается в окрестностях этих точек. При этом четко просматривается треугольная решетка вихревых линий.