А.М. Сунгурский – Сто шагов в неизвестное (страница 2)
В 2003 году Гинзбург получил Нобелевскую премию по физике вместе с Алексеем Абрикосовым и Энтони Леггеттом за работы по теории сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей. До награды теория уже десятилетиями служила рабочим инструментом.
Следующая история показывает, что можно сделать с хорошо выбранным языком. Если уравнения описывают коллективное состояние достаточно точно, в них удаётся обнаружить поведение, которое ещё трудно представить наглядно. Из соотношения двух длин и энергетической цены границы вырастает картина магнитных вихрей — и объяснение того, почему некоторые сверхпроводники выдерживают сильные поля.
2. 1957. Магнитное поле входит в сверхпроводник вихрями
Если сверхпроводник вытесняет магнитное поле, возникает естественный вопрос: что произойдёт, когда поле станет слишком сильным? Самый прямой ответ — сверхпроводимость исчезнет. Для части материалов именно такая простая картина оказывается недостаточной. Они могут сохранять сверхпроводящее состояние и одновременно пропускать магнитный поток через свой объём особым образом.
Теория Гинзбурга и Ландау дала язык, на котором можно было исследовать этот кажущийся парадокс. Алексей Абрикосов применил её к так называемым сверхпроводникам второго рода. В 1957 году была опубликована работа, объяснившая их смешанное состояние и возникновение регулярных структур магнитных вихрей.
Чтобы оценить необычность результата, представим две возможности: поле полностью исключено из образца или свободно занимает его объём после разрушения сверхпроводимости. Абрикосов показал, как между этими крайностями появляется устойчивый режим. Магнитный поток проникает в образец тонкими нитями — вихрями, вокруг которых текут сверхпроводящие токи. В середине вихря сверхпроводящий порядок сильно подавлен, а между вихрями сохраняется.
Квантованный вихрь — особое пространственное распределение сверхпроводящего состояния, токов и магнитного поля. Вспомним фазу как стрелку на циферблате. Если обойти вокруг вихря и вернуться в исходную точку, стрелка должна вернуться к тому же положению: её поворот за весь обход составляет целое число оборотов. С этим связано квантование магнитного потока. В обычном одиночном вихре Абрикосова одному обороту соответствует одна элементарная порция потока. Это свойство согласованного состояния вещества, а не отдельного электрона.
Почему поле входит отдельными нитями, а не разрушает сверхпроводимость сразу во всём образце? В теории Гинзбурга и Ландау ответ связан с двумя длинами из предыдущей главы: глубиной проникновения поля и расстоянием, на котором восстанавливается параметр порядка. Их отношение определяет энергетическую цену границы между обычной и сверхпроводящей областями. Если отношение больше 1/√2, то есть примерно 0,71, эта энергия отрицательна: образование границ может уменьшать общую энергию. Это случай сверхпроводника второго рода. В определённом диапазоне полей ему выгодно смешанное состояние — тонкие вихревые сердцевины внутри сверхпроводящего вещества. Однако это не означает бесконечного дробления: размеры сердцевин, токи и взаимодействие вихрей тоже входят в энергетический расчёт. Вихри способны образовывать упорядоченную решётку. Точный рисунок зависит от условий и свойств материала; наиболее привычная идеальная картина — треугольное расположение.
У сверхпроводников второго рода различают два характерных критических поля. При превышении нижнего начинается проникновение вихрей. Между нижним и верхним полями существует смешанное состояние. Выше верхнего сверхпроводимость разрушается. У многих сверхпроводников второго рода верхнее критическое поле очень велико: ток можно проводить без сопротивления и в сильном магнитном поле, если не превышены остальные ограничения. Это делает такие материалы особенно полезными для создания магнитов.
Однако наличие вихрей добавляет инженерную трудность. Под действием тока они могут двигаться, а движение приводит к потерям энергии. В реальных материалах удерживать вихри на месте способны дефекты и специально созданные неоднородности. То, что в одном исследовании выглядит помехой чистой идеальной структуре, в другом становится полезной частью устройства.
Это хороший пример того, почему фраза «сопротивление равно нулю» не заменяет полного описания сверхпроводящего кабеля. Имеют значение температура, поле, плотность тока, движение вихрей и механическое состояние материала. Научная теория помогает понять, какое из этих ограничений становится решающим, прежде чем конструктор начнёт изменять состав или форму проводника.
Сильные сверхпроводящие магниты нужны, в частности, для магнитно-резонансной томографии и ускорителей частиц. Их существование опирается на большие коллективные усилия физиков, материаловедов и инженеров. Теория Абрикосова объяснила важнейшее физическое состояние, которым эта техника пользуется. Она не была единственным источником знаний, благодаря которым появились современные магниты, но без такого понимания их поведение оставалось бы значительно менее прозрачным.
В 2003 году Абрикосов был удостоен Нобелевской премии по физике; к тому времени он работал в Аргоннской национальной лаборатории США. Ключевая теория была создана им в Москве в советский период.
В сильном магните мало сохранить сверхпроводимость — нужно ещё удержать вихри от движения. От поведения невидимых глазу вихрей зависит, какой ток выдержит реальный проводник без потерь.
3. 1963. Слои, которые научились удерживать свет
Электричество можно превратить в свет довольно неэкономным способом: сильно нагреть проводник. В таком случае он отдаёт энергию в широком диапазоне, и значительная её часть приходится на излучение, которое глаз не видит. Полупроводниковая оптоэлектроника использует другие процессы, позволяющие гораздо точнее управлять тем, где возникает свет и какими будут его свойства.
Но одного подходящего вещества мало. Электроны и другие носители заряда движутся, рассеиваются, покидают полезную область. Свет также может уйти туда, где его энергия потеряется. Чтобы создать эффективный прибор, нужно управлять носителями заряда и излучением в очень маленьком объёме.
В 1960-х годах Жорес Алфёров с коллегами развивал полупроводниковые гетероструктуры — сочетания тонких слоёв разных полупроводников. Алфёров и Рудольф Казаринов подали заявку на изобретение — лазер с двойной гетероструктурой. Официально признанная дата их приоритета — 30 марта 1963 года. Независимо аналогичный принцип сформулировал Герберт Крёмер. На пути от идеи до работающего устройства были необходимы новые материалы и методы получения достаточно совершенных границ между ними.
Слово «гетеро» означает различие. Однако в приборе соединяют материалы не просто ради разнообразия. У полупроводников различаются энергетические условия, в которых могут находиться электроны. Правильно подобранная граница ведёт себя как барьер или переход для носителей заряда. Несколько таких границ позволяют создать область, где носителям выгодно оставаться.
В двойной гетероструктуре активный слой помещают между материалами с подходящими свойствами. В нём концентрируются электроны и дырки — положительно заряженные возбуждения, возникающие при отсутствии электронов в определённых состояниях. Их рекомбинация может сопровождаться испусканием света. Одновременно различие оптических свойств слоёв помогает удерживать свет в нужной области, создавая волновод.
Удержание носителей можно представить как ложбину между двумя склонами: шарикам, оказавшимся на дне, нужна дополнительная энергия, чтобы выбраться. Электроны и дырки, конечно, не шарики; их поведение определяется квантовыми состояниями и полями. Аналогия передаёт одну задачу инженера — удержать носители в активном слое, чтобы повысить вероятность встречи, при которой может возникнуть фотон.
Лазеру нужно усиление излучения. Проходящий фотон способен вызвать такой переход возбуждённой системы, при котором появляется согласованный с ним фотон. Если усиление компенсирует потери и выполнены условия работы резонатора, возникает лазерный режим. Поэтому удержание и носителей заряда, и света даёт принципиальное преимущество: энергия меньше расходуется вне активной области.
Важнейшие результаты конца 1960-х и начала 1970-х годов сделали возможными полупроводниковые лазеры, работающие непрерывно при комнатной температуре. Здесь особенно видно различие между демонстрацией физического принципа и развитием прибора. Короткий импульс в специальном режиме уже доказывает, что лазерная генерация возможна, но непрерывная работа требует одновременно справиться с потерями, нагревом и качеством материала.