Как создавалась советская физика

4

Как создавалась советская физика

Мы продолжаем публикацию воспоминаний Героя Социалистического Труда, академика И. К. Кикона, научную в 10 номере.

В конце 30-х годов академик Абрам Федорович Иоффе поставил перед своим сотрудниками новую задачу: исследовать особый по своим электрическим свойством класса веществ — полупроводники. Как известно, полупроводники — это вещества, проводимость которых слищом мала, чтобы считать их металлими, и слищом влика, чтобы относить их к диэлектрикам.

В то время полупроводники не имели широкого применения. И тем не менее, Иоффе, интуитивно поняемая, что в будущем они приобретут большое практическое значение, с самого начала удаляли много внимание работам по исследованию их свойства. А исследование эти были нелегкими. И вот почему. У разных образцов одного и того же по химическому составу полупроводника физические характеристики оказывались совершенно различными. Например, у разных образцов закиси меди (Cu₂O) проводимость оказывалась различной, так же как и зависимость проводимости от температуры. Полученные разными способами образцы вели себя одни как диэлектрики, другие — как проводники. Ясно, что выявить какие-то общие закономерности, исследуя стол «капризные» вещества, очень трудно. И связано это с тем, что, как оказалось, свойства полупроводников необсячайно сильно зависит отничтожных количеств примесей, имеющих в образцах. Например, если в образце закиси меди atomов кислорода на стольсячную долю процента больше, чем в «чистой» закиси меди (то есть при точном химическом состоянии меди и кислорода), то он ведет себя как проводник, хотя чистая закись меди — диэлектрик.

Эта особенность полупроводников в каком-то смысле предопределяла направление исследований. Прежде всего необходимо было установить, как зависит свойства полупроводников от количества содержащихся в них примесей. А для этого надо было иметь образцы с точно известным химическим составом и количеством примесей.

В эти работы очень активно включился Борис Васильевич Курчатов (брат И. В. Курчатова). Он нашел способ получения образцов закиси меди с заданным избыточным количеством кислорода. Создав несколько таких образцов, он исследовал, как меняется проводимость закиси меди в зависимости от примеси кислорода. Оказалось, что проводимость резко растет с увеличением количества примеси. Эта классическая работа полужила начало созданию полупроводников с заданным свойством введением определенного количества той или иной примеси. Сейчас они находят огромное практическое применение.

После того как Абрам Федорович Иоффе переключит наше внимание на полупроводники, я решил занять исследование так называемого внутреннего фотоэфекта. Явление этого заключится в том, что под действием света в полупроводнике появляется дополнительные свойства электроны и проводимость образца увеличивается. Мне хотелось выяснить, обладают ли эти дополнительные электроны той же подвижностью, что и темновые электроны (то есть свобод-

5

ные электроны, которые имеют в неосвесенном образце). А получить такую характеристику, как подвижность электронов, можно было, измеряя эффектив Xолла и проводимость образца. Поэтому было решено использовать этот эффектив в полупроводниках. (Напомню, что эффектив Xолла заключится в том, что если помещить образец, по которой течет ток, в магнитное поле, то между точками образца, лежащими на прямой, перpendикулярной направлению поля и направлению тока, возникнет разность потенциальов — э. д. с. Xолла.

Начав исследование, мы столкнулись со страным явлением, которое мешало проводить измерения. Пришипальная схема эксперимента была приближительно такой, как на рисунке 1. И мы сизумлением обнаружили, что при освещении образца в магнитном поле даже при отсутствии текущего через образец тока прибор регистрации наличие разности потенциальов между точками А и А’, на которых мы собирались измерять э. д. с. Xолла. Чтобы измерить «чистую» э. д. с. Xолла, надо было как-то установить этот побочный эффектив. И мы его установить. Окаазалось, что если пластинку закисси меди, с которой мы проводили измерения, освещать не белым, а красным светом (а сама закисси меди — это произчный кристалл красного цвета), то побочный эффектив исчезает, и можно измерить «чистую» э. д. с. Xолла, определять тот «вклад», который дают в нее фотоэлектроны, и вычислить их подвижность. Она оказалась такой же, как и у темновых электронов. (Сейчас я не стал бы проводить подобных исследований, потому что теперь хорошо известно, чторождающиеся под действием света фотоэлектроны точас же стальковются с atomами и в дальнейшем по своим свойством ничего не отличают от темновых электронов.)

После этого надо было выяснить, с чем связан возникший побочный эффектив. Мы взяли в качестве образца пластинку из закисси меди длиной около двух сантиметров, присоединили к ней с помощью электронов измерительной прибор, помещили пластинку в магнитное поле, параллельное плоскости пластинки, и осветили ее светом от сильной лампы. Схема опыта была такая, как на рисунке 2. Окаазалось, что при небольшим магнитном поле — порядка 1 Т — на-

6

И. К. Кикоин

пряжение на электродах достигало 20 В!

Явление было совершено неопорным. И когда на одном из семинаров у нас в Физiko-техническом институте я докладывал об этой работе, сущатели отнеслись к моему рассказу очень недоверчиво. Я тут же перед аудиторней продемонстрировал наш простой опыт. И хотя сомнения в существовании самого эфекта прошали, загадочность его не уменшла. Качественная и количественная теория этого эфекта (мы назвали его тогда формагнитным) была разработана позже. Не буду сейчас более подробно расссказать об этом эфекте, потому что в одном из ближайших номеров журнала появится стать на эту тему. Скажу только, что, исследуя этот эфект в полупроводниках, можно выяснить целый ряд их свойства, которые важны в технике.

Описанными выше работами, конечно, не исчерпывает круг исследований полупроводников, проводившихся в Ленинградском физico-техническом институте. Под руководством А. Ф. Иоффе и при его непосредственном участии осуществлялась община программы работ по выяснению природных электрических и fo-

тоэлектрических явлений в полупроводниках. Однакоенное разработываясь вопросы практического применения этих явлений.

Одним из основных направлений научной работы в Физiko-техническом институте было также изучение электрических свойств диэлектриков. В числе сотрудников, занимающих этим вопросом, был Игорь Васильевич Курчатов. Лаборатория, которое он тогда возглавил, занялась исследованием свойств так называемой сегнетовой soli (химическая формула NaKC₄H₄O₆·4H₂O). Кристаллы сегнетовой soli очень красивы. Они достигают огромных размеров. Я с удовлетворением наблюдал, как Игорь Васильевич выращивал их из растров в больших стеклянных сосудах.

Сегнетова соль — типичный представитель диэлектриков с аномальной диэлектрической проницаемостью. (Напомним, что диэлектрическая проницаемость — это число, указывающее, во сколько раз электрическое поле внутри диэлектрика меньше того внешнего поля, в котором находится диэлектрик.) Так вот, у обычных диэлектриков проницаемость порядка нескольких единиц (у стекла—3÷5, у слюды—7÷8); диэлектрическая проницаемость воды, равная 80, считалась аномально большой. А у сегнетовой soli значение этой величины может достигать нескольких десятиков тысяч единиц! И еще одна аномalia — необучное «поведение» этой проницаемости при изменении внешнего электрического поля: в сильных полях значение ее не велико, а в слабых полях она достигает огромных значений. Естественно, что исследование свойств сегнетовой soli представляет большую интерес. Использовая ее как заполнитель, можно было создать конденсаторы необольших размеров с очень большой емкостью. Правда, аномальные свойства сегнетовой soli проявляются в довольно узкой области температур (примерно от —30°C до +30°C).

Подробными исследованиями Курчатов показал что поведение сегне-

7

тоэлектриков (так называют диэлектрики с таким же аномальными свойствами, как у сегнетовой соли) во многом аналогично поведению ферромагнетиков. Например, зависимости электрической индекции (так называют электрическое поле внутренней шестева) в сегнетэлектриках от величины внешнего электрического поля аналогична зависимостьм магнитной индекции в ферромагнетиках от внешнего магнитного поля. В кристаллических сегнетэлектриках, так же как и в ферромагнетиках, наблюдается резкая анизотропная свойств: их электрические характеристики существенно зависит от ориентации внешнего поля относительно различных осей кристалла. Нагревая сегнетэлектрики, наблюдают, что при перехождение «критического» температуру (для сегнетовой соли, как мы уже говорили, это ~30°C) их электрические свойства скачком меняются — исчезает аномалия диэлектрической пропищемости и в дальнейшем они ведут себя как общные диэлектрики. Это явление совершенно аналогично поведению ферромагнетиков при перехождение точку Кюри — когда они переходят из ферромагнитного состояния в параметрное. Исследуя переход сегнетэлектриков через точку Кюри (так по аномалии называют критическую температуру для сегнетэлектриков), Курчатов показал, что, так же как и в случае ферромагнетиков, этот переход сопровождается выделением теплла. Этот эффект называется электрокалорийческим эффектом (аномалий эффект для ферромагнетиков называется магнетокалорийским). Сходство между сегнетэлектрическим и ферромагнетизмом так велико, что зарубежные учены называют явление сегнетэлектричества.

Результаты своих исследований И. В. Курчатов собрал в отдельную книгу, которая повсюду была признана какfundamentalное исследование является сегнетэлектричества.

Несколько позже в Физическом институте имени П. Н. Лебедева

А. Ф. Иоффе (слева) со своим учениками А. И. Алихановым и И. В. Курчатовым в одной из laboratorий физико-технического института.

9

кого химка Боденштейна. Он писал, что опыты Н. Н. Семенова неубедительные. Давление кислорода изменялось в них манометром, а чтобы пары фосфора не повредили его, между манометром и сосудом, в котором пронсходила реакция, помещали ловушку, охлаждаемую жидким воздуха. Пары фосфора конденсировались в ловушке, благодаря чему возникал поток паров фосфора, направленный к ловушке. Кислород же по пути в сосуд также проходил mismo ловушки, но в направлении, противоположном направлению потока паров фосфора. Боденштейн считал, что при небольших давлениях кислорода он просто «сдувался» параметrios фосфора и вовсе не попадал в сосуд, так что реакция не возникала, потому что в сосуде не оказалось кислорода.

Ознакомившись с этой заметкой, Семенов решил повторить свои опыты. При этом он убедился, что критика Боденштейна частично верна — давление кислорода действительно изменялось несовсем точно. Но и после исключания возникных ошибок оказалось, что реакция взамодействия фосфора с кислородом в газообразном состоянии все-tаки начнется только при некоторых минимальном давлении. При этом было обнаружено еще одно совершенное непонятное явление. Само критическое давление зависит от размеров сосуда, в котором пронсходила реакция. Если сосуд шарообразный, то критическое давление растет пропорционально диаметру сосуда. Чем больше сосуд, тем больше давление, при котором начинается реакция. Как писал позднее Н. Н. Семенов, обнаружив это явление, онсовсем перстал что-либо понимать.

Семенов расссказал о своей работе на семинаре в Физико-техническом институте. Все уже знали критики Боденштейна и снова стали придаться к опытом. Как ни убеждал Семенов приступовавших в том, что никаких ошибок в его опытах больше нет, к этому отнеслись с недоверием, тем более что объяснить столенные результаты Николай Николаевич в то время не мог.

Н. Н. Семенов

Будучи твордо утверенным в своей правоте, Н. Н. Семенов опубликовал несколько статей о полученных результатах. После этого пришло письмо от Боденштейна, в котором онполностью согласился с этим результатами, признал большее значение обнаруженных явлений и предложил Семенову дальнейшие работы печать в журнале, который он сам редактировал. Вскоре после этого Н. Н. Семенов создал качественный теорию обнаруженных им явлений.

Это было крупнейшее открытие, которое получило всемирное признание. Оно последило нацелом нового направления в науке — изучения развевленных цепных химических реакций, которое успешно развивалось не только у нас, но и зарубежом. За эти работы Н. Н. Семенову, вместе с англійским химиком Хиншельвудом, который занимался теми же вопросами, в 1956 году была присуждена Нобелевская премия.

Н. Н. Семенов — основатель целой школе по кинетике химических реакций. К ней принадлежит много ученных. Крупнейшими ее представителями являются академики Юлий

10

Борисович Харитон и Виктор Николаевич Кондратев. Ю. Б. Харитон продолжал много работ, связанных с химическими реакциями взрывного характера. Крупнейшим теоретиком в этой области является еще один ученик Семенова — академик Яков Борисович Зельдович. Он разработал и теорию цепных реакций, и теорию горения. Эти теории имеют большое значение для техники, в частности, для взрывной техники.

В 1928 году на одном из очередных семинаров Абрам Федорович Иоффе сказал: «Я должен вам прочитать небольшую заметку, оттиск которого мне прислал профессор Раман из Индии». Это был оттиск заметки, который опубликовал в известном английском журнале «Nature» (по-русски — «Природа»). В нем есть раздел под названием «Писма к редактору», где ученыые обычно кратко сообщают о своих новых работах. Журнал этот ежедневный, и поэтому можно быстро опубликовать необходимую информацию.

В заметке Рамана шла речь о том, что при рассейнии света в жидкости спектр рассеяного света отличается от спектра падающего света. Если жидкость освещается светом определенной длины волны, например, желтым, то в рассеяном свете содержится та же самая длина волны (от же цвет), но, кроме того, появляется еще другие цвета, новые спектральные линии. В этом и заключается явление, о котором писал Раман, — появление дополнительных линей в спектре рассеяного жидкости.

Когда Иоффе прочитал эту заметку, сделший рядом со мной профессор Рожанский, который обычно на семинарах внимательно слушал, но редко выступал, вдруг проявил необходимую взволнованность. Он встал и сказал: «Я ничего не понимаю. Я хорошо знаю, что работы, о которых рассказывает здесь, были проделаны Мандельштамом в Москве примерно два года тому назад. Мне точно известно, что это явление было открытого Мандельштамом на критICALх,

Л. И. Мандельштам

и в течение двух лет он штастельно его исследовал». Так мы — молодые физики — узнали, что в Москве существует крупная научная школа физков, возглавляемая Леонидом Исааковичем Мандельштамом.

Из заметки Рамана следовало, что он только что сделал свое открытие. А Леонид Исаакович Мандельштам, как мы узнали, не только обнаружил это явление, но вместе с Григорием Самуиловичем Ландсбергом проводилось исследование, нашел основные закономерности, дал полную теорию этому явлению и уже направил в печать обстоятельную статью. Но она была получена редактией Журнала, в которой ее послам Мандельштам, на две недели позже, чем заметка Рамана в «Nature». Эта заметка была продуктована по радио, поскольку Раман очень торопился. К сожалению, эфект появления дополнительных спектральных линей в рассеяном свете теперь нередко называют эфективом Рамана. Правда, обективные загубенные ученыые, вскоре после того как это явление было открыто, в соответствии со обозначением и книгах назвали его эфективом Мандельштам — Ландсберга — Рамана.

12

Г. В. Курдомов

ских физиков во главе с Петром Саввичем Тартаковским, а в Днепропетровск — во главе с Георгием Вячеславович Курдомовым, ныне академиком.

К сожалению, в Томске инцизация ленинградских физиков не встретила большой поддержки со стороны местных физиков, и этот институт практически распался. Зато институт, организованный в Днепропетровске, быстро окреп и прославился своим работами. В первую очередь это объясняется тем, что он находился в центре украинской металлургии, а сам директор института Г. В. Курдомов был крупнейшим специалистом именно в этой области. Работы, которые он проделал еще в Ленинградском физico-техническом институте, относились кRENTгенографическому исследованию одного из важнейших процессов металлургии — маркетингных превращений в сталях. Курдомов впервые показал, в чем заключается природа маркетингных превращений, которые происходят при закалке стали. Эта классическая работа снискала ему всемирную известность. Она имеет важнейшее техническое значение.

В 1932 году из состава Ленинградского физico-технического института был выделен Уральский физico-технический институт (Ураль ФТИ), обосновавшийся позднее в Свердловске — крупнейшим промышленном центре Урала. Туда был включен и я. Хотя мы и назывались Уральским физico-техническим институтом, но до построки здания в Свердловске работали в Ленинграде и переехали в Свердловск только в 1936 году. Ныне этот институт называется институтом физики металлов; он стал одним из крупнейших физических институтов нашей страны. Сейчас им руководит известный физик-теоретический академик Сергей Васильевич Вонсовский, который в момент создания института был молодым сотрудником, только что окончившим университет.

В период первой пятилек физика в нашей стране очень бурно развивалась, и количество научных сотрудников быстроросло. Я помню, что при мне за 1927—1930 года Ленинградский физico-технический институт выроса в три. В конце концов из него выделился несколько самостоятельных институтов: Институт химического физика под руководством Н. Н. Семенова, который впоследствии переехал в Москву; Институт связи во главе с профессором Д. А. Рожанским; Высококультурный институт под руководством А. А. Чернышева. Был организован также Агрофизический институт, который возглавил сам А. Ф. Иоффе. Он считал, что физик надо применять не только в промышленности, но и в сельском хозяйстве.

Таким образом, начиная с 1928 года, руководствуясь решениями партии и правительства и собственной инцизационной, А. Ф. Иоффе сумел насадить физические институты в ряде промышленных центров Советского Союза, что немало способствало развитие науки и промышленности в нашей стране. Ленинградский физico-технический институт стал свое-

13

образным рассадником физики по всему Советскому Союзу.

В 1934 году в Советский Союз вернулся из Англлии, из длительного научной командировки, известный физик Петр Леонидович Капица. Во время работы в Англлии он прославился тем, что исследовал ряд свойства веществ в сильных магнитных полях. Объчные магнитные поля, которые создавали в лабораториях в то время, были порядка 1—2 Т. Для получения более сильных полей нужно было применять электромагнитные больших размеров, которые стонили очень дорого. Можно, конечно, создать сильные магнитные поля внутри соленода без железа. Но для этого необходимо питать соленод очень сильным током, что связано с большим выделением теплла и перегревом обмотки соленода.

Капица рассуждал так. Не обязательно иметь постоянное большое поле в течение длительного времени. Явления, произходящие в веществе, помещенном в магнитное поле, носят атомный характер. А подобные явления разыгрываются очень быстро — за миллионные и даже миллиарды доли секунды. Поэтому достаточно создать сильное магнитное поле, существующее в течение короткого промежутка времени, и за это время проводится в нем необходимые исследования. Эту идею Капица осуществил следующее образом. Magнитное поле создавалось в солениде, через который пропускался большой ток от генератора переменного тока в течение одного полеринада (0,01 секунды).

Якорь генератора переменного тока раскручивания с помощью электродвигателя. При этом клеммы генератора были разомкнуты. Когда якорь раскручивания до расчетаного (номинального) числа оборотов, дивгатель отключали, и якорь продолжал врашаться по инерции. Например на разомкнутых клеммах обмотки (э.д.с.) при этом менялось по синусоидальному закону. В тот момент, когда оно «проходило» через нуль, с помощью специального рубильника клеммы генератора замыкали на обмотку соленода. А через половину периода, то есть через 0,01 секунды, когда направление снова падает до нуля, цель размыкалась. Размыкание цепи необходимо проводить в момент, когда ток проходит через нуль, чтобы избежать возникновения электрическойдуги. В течение получения по обмотке протекал ток большой силы (и следовательно, существовало большое магнитное поле), а катушка не успевала сильно нагреться. Но возникла еще одна трудность. Когда через соленид протекает ток, на каждый его виток действуют радиальные силы, стремится его разорвать. При достижении большим токе эти силы могут превойти предел прочности материала обмотки, и она разрушится. (Петр Леонидович расссказывает, что когда он в Англлии в лаборатории впервые проводил этот эксперимент, катушка разорвалась, ее обломки разлетлись в разные стороны. И в тот же день сотрудники лаборатории поспешили застraxовать свою жизнь.) Так что возникло получение сильных магнитных полей таким способом ограничивается прочитыванием материалов, из которых сделана обмотка. Капица сделала обмотку из специальной высокопроводной бронзы. Катушка была необольшая — диаметр ее было 25 мм, длина — около 100 мм. Через эту катушку пропускали в течение сотой доли секунды ток, который позволял получать поле около 30 Т.

В таких полях Капица исследовал ряд физических явлений. В частности, он очень подробно изучил влияние магнитного поля на сопротивление проводников. При малых полях изменение сопротивления проводников в магнитном поле растет примерно пропорционально квадрату магнитной индукции. Предполагалось, что и в сильных полях будет также же зависимости. Но оказалось, что в сильных полях квадратная зависимость изменения сопротивления от величины магнитной индукции нарушается. Была обнаружена совпадение значения сопротивления проводника от величины индукции магнитного поля.

14

Большой интерес представило исследование свойств различных веществ в условиях, когда сильные магнитные поля сочетаются с низкими температурами. И Капица занялася рассмотрением вопроса о способах получения низких температур, близких к абсолотному нулю. Известно, что самой низкотемпературной жидкость является жидкий гелий. При нормальном давлении температура кипения жидкого гелия равна 4,2 К.

Впервые жидкий гелий был получен голландским ученым Kamерлинг-Оннесом в 1908 году. Установка, которую он построил в своей лаборатории в Лейдене, позволяла получить небольшое количество жидкого гелия. Подобные установки были очень дороги. П. Л. Капица разработал более производительную и экономичную установку, на котором он мог получить достаточно большое количество жидкого гелия.

К тому времени физики заинтересовались свойствами самого жидкого гелия. Дело в том, что жидкий гелий — единственное вещество, которое, как говоря, претерпевает фазо-вое превращение, находясь в жидком состоянии: при температуре 2,19 К его физические свойства резко меняются. Выше этой температуры гелий ведет себя как обживенная жидкость, а при $T \leq 2,19$ К у него появляется ряд совершенню необъчных свойств: теплопроводность его резко возрастает, а вззость резко падает. Принято назвать гелий при температуре выше 2,19 К гелием I, а при $T \leq 2,19$ К — гелием II.

Впервые гелий II обнаружил Kamерлинг-Оннес. Потом его изучением заняла в Лейденской лаборатории Кeeзом. Он обнаружил, что теплопроводность гелия II во много раз больше, чем у самых теплопроводных металлов. Поэтому Кeeзом назвал гелий II сверхтелопроводным веществом.

П. Л. Капица заняла исследование свойства гелия II в 1937 году. Анализируя имеющиеся к тому времени экспериментальные данные, он пришел к выводу, что чрезвычайно высокую теплопроводность гелия II нельзя объяснить обычными процесами выравнивания температуры

15

внутри вещества. Он предположил, что интегисивная передача тела в гелини II может быть связана с конвекцией. Подсчеты показали, что конвекционные потоки должны осуществляться в гелини II с необходимой легкостью, без треня. Можно было предполагать, что гелини II является сверхтекуей жидкостью, то есть жидкостью, которая не имеет вззости.

Чтобы проверить это предположение, Петр Леонидович в 1938 году поставил такой эксперимент. Он проускал гелини II через зазор между двумя плоскими полированными стеклянными пластинками, прижатыми друг к другу. Пластики были отполированы так тщательно, что зазор между ними был не более полумикрона. И через такой зазор под действием собственной тяжестей гелини II протекал со скоростью, которая возможна только при почти полном отсутствии вззости!

Так было открыто явление сверхтекуести в гелини II.

Оставалась нерешенной еще одна загадка, связанная с изменением вззости гелиния II. Дело в том, что вззость можно определить двумя способами. Один из них — изменение скорости истечения жидкости из капиллярного сосуда (или через узкую щель, как это было в экспериментах П. Л. Капицы). При данной разности давления на концах капилляра количество протекающей через него жидкости за данные время тем больше, чем меньше ее вззость. Второй способ определения вззости — исследование затухания круглых колбаний твердого тела в жидкости. В жидкость на нити опускают тонкий диск так, чтобы плоскость его была горизонтальной, и наблюдают его собственные круглые колбания вокруг оси, проходящей через нить. Естественно, что чем больше вззость жидкости, тем быстрее затухают колбания. Для всех жидкости значения вззости, измененные этим двумя способами, были одинаковыми. А для гелини II эти значения были различными. Первый способ давал исчезающее малое значение вззости, демонстрируя сверхтекуесть гелиния II, а второй приводил к малым, но в полне измененным значением.

Л. Д. Ландду

Ответ на все эти вопросы для гидродинамического теория сверхтекуести, созданная в 1941 году академик Львом Давидовичем Ландду. Он показал, что общий классический подход для объяснения свойства вещества при столбных темперарах, неверен. Ландду удалось разрабатывать квантовую теория сверхтекуести Не II. Онаlectraце объясняла результаты оптовок Капицы и предсказала ряд новых явлений, которые вскоре были обнаружены экспериментами.

Сверхтекуесть жидкого гелика пока не нашла широкого применения. Но созданная Ландду теория сверхтекуести оказала большое влияние на развитие теоретической физики. Она явлась ключом к созданию теории другого замечательного явления, произходшего при низких темперарах — сверхпроводимости. И хотя это произошло значительное позже, мне кажется, будетуместно рассказыть об этом именно сейчас, нарушая хронологический порядок, которое я

16

старался более или менее придерживаться.

Напомню, что явление сверхпроводимости было открыто Камерлинг-Оннесом в 1911 году. Он обнаружил, что при температуре 4,15 К электрическое сопротивление ртути полностью исчезает, и называл это явление сверхпроводимостью. После этого было обнаружено, что многое металлы и сплавы при низких температурах теряют электрическое сопротивление, становится сверхпроводящим. Разумеется, существование проводников без сопротивления сулило заманчивые практические перспективы, и изучением сверхпроводимости физики заялись очень активно. Однако создается общую теорию явления не удавалось.

После создания квантовой механики была построена микрокоппическая теория твердого тела, то есть теория, которая рассматривала свойства твердых тел с точки зрения поведения электронов и атомов. Она полностью качественно обязывала все свойства металлов, диэлектриков, полупроводников в различных условиях. А сверхпроводимость оставалась загадочным явлением. И только в 1957 году, то есть через 46 лет после открытия этого явления, оно получило свое объяснение в микрокоппической теории, созданной советским ученым академиком Николаем Николаевичем Боголюбовым и, независяimo от него, американским физиками Бардином, Купером и Шрифером (БКШ, как называют эту группу).

К тому времени экспериментально были изучены многие свойства сверхпроводников. Было установлено, что под действием магнитного поля сверхпроводимость металлов разрушается — они становятся обичными проводниками. Значение магнитной индукции поля, при котором исчезает сверхпроводимость, называется критической полем (критическая индукцией). У разных металлов эта величины различна. критическое поле зависит от температуры сверхпроводника. Чем выше температура, тем меньше критическое поле. При критической температуре критическое поле равно нулю.

Далее было также показано, что магнитное поле внутрень сверхпроводное

Л. В. Шубников

ника не проникает, а если оно в металле уже было, то при его переходе в сверхпроводшее состояние (при понжении температуры) оно выталкивается наружу. Таковые самые фундаментальные свойства сверхпроводников.

Когда они были обнаружены, стало ясно, что возможность использования сверхпроводников для получения больших незагрузочных токов и создания сильных магнитных полей ограничены. Действительно, ток, текущий по проводнику, сам создает магнитное поле. Чем больше ток, тем больше это поле. Но как только индекция этого поля достигает критической значения, сверхпроводник перейдет в нормальное состояние. Обыты показали, что значения критических полей невалки — порядка $10^{-2} - 10^{-1}$ T.

Микрокоппическая теория сверхпроводности была создана в 1957 году. Но это не означает, что до тех пор не существовало никакие позволяющие учесть установливать связь между различными величиными, характеризующими свойства и поведение сверхпроводников.

17

А. И. Шальников

Так, в 1937 году Л. Д. Ландду, анализируя имеющиеся к тому времени экспериментальные данные, теоретически predсказал новое явление, относящееся к процессу перехода металла из сверхпроводящого состояния в нормальное в магнитном поле. Согласно его теории, этот переход происходит постепенно. Начная с некоторого значения индикции магнитного поля, еще не достигшего критического, поле частично проникает в сверхпроводник. При этом в нем образуется чередующая слой — сверхпроводящие и несверхпроводящие. При достижении критического значения индикции внешнего поля сверхпроводящие состояние полностью разрушается.

Обыты, которые в скором времени были проведены в Харьковском физico-техническом институте Львом Васильевичем Шубниковым и в Московском институте физических проблем членом-kорреспондентом АН СССР Алексадром Иосифовичем Шальниковым,lecturee подтвердили predсказания теории Ландду. Мне довелось наблюдать эти эксперименты и в Москве, и в Харькове. Они наглядно продемонстрировали структуру «сложного» промежутного состояния, так сказать, топографию чередующся сверхпроводящих и нормальных слоев внутренней сверхпроводящого шара. Такое состояние сверхпроводника за рубежом обычно называют «фазой Шубникова».

В 1950—1952 годах группа советских физиков — академики Виталий Лазаревич Гинзбург и Лев Давидович Ландду, члены-корреспонденты АН СССР Алексей Алексеевич Абриковов и Лев Петрович Горьков — разработала теория, из которой следовало, что должны существовать сверхпроводники с необходимыми свойствами. Теперь ее называют теорей ГЛАГ (Гинзбург, Ландду, Абриковов, Горьков). Такие сверхпроводники называют сверхпроводниками второго рода, в отличие от обычных сверхпроводников. Для них значения критического поля должны быть значительно большими.

Очень скоро были проведены эксперименты, которые полностью оправдали эти predсказания. Как оказалось, к сверхпроводником второго рода принадлежат металлический нобий и цельный ряд сплавов. Значения критических полей для таких сверхпроводников, действительного, оказались очень большими. Так, например, у сплава нобия с овлом оно достигает 20—30 Т. Большое значение критического поля позволяет использовать сверхпроводники второго рода для создания сильных магнитных полей. При этом, несмотря на большие затраты, связанные с получением жидкого геля, использование сверхпроводников оказывается значительно выгоднее, чем использование обычных электромагнитов. Уже существует генераторы и электродвигатели со сверхпроводящими объектами мощностью около 10 000 килюватт. В настоящее время рассматривается проблема передачи электроэнергии на большие расстояния по «сверхпроводящим» линяям передач.

Таким образом, теория советских физиков сыграла огромную роль в создании новой техники.