Техника - молодёжи 1958-04, страница 12

njnU/ (ШЩ

Дед-мороз, властелин холода, взялся выполнить фокус с полупроводником и превратил его в изолятор. Обрадованный, он взялся проделать такую же шутку и с проводником. Но при охлаждении сопротивление проводника не повышалось, а падало и, наконец, достигло исчезающе малой величины.

лии, предложил свою теорию поведения вещества в сверх-проводимом состоянии, согласно которой свободное движение электронов через сверхпроводимый металл напоминает беспрепятственное движение электронов во время вращения их по орбитам вокруг ядер атомов. Лондон предположил, что внешнее магнитное поле не может проникнуть в сверхпроводи-мое вещество ввиду того, что это поле смещает большие внешние «орбиты» электронов атомов решетки металла. А при вращении электронов по смещенным орбитам они образуют свое собственное противодействующее магнитное поле. Гипотеза Лондона давала наглядную картину явления, но, естественно, не объясняла, почему вся масса вещества проводника должна вести себя как один гигантский атом, то есть почему охлаждение металла до очень низкой температуры заставляет внешние орбиты электронов, вращающихся вокруг атомов, не препятствовать движению потока электронов через кристаллическую решетку проводника.

В 1950 году Г. Фрелих и Дж. Бардин из лабораторий фирмы «Белл Телефон» попытались дать этому более точное объяснение. Согласно их теории при очень низких температурах колеблющиеся атомы кристаллической решетки не только перестают препятствовать движению потока электронов

Если среднее количество электронов, расположенных на внешних орбитах, нечетно (серый атом), свободные электроны скользят легко. Но если оно четное (белый атом), то электроны тормозятся, и для достижения сверхпроводимости нужны более низкие температуры. Легче становятся сверх

проводниками те вещества, которые имеют более свободное, «рыхлое», строение кристаллической решетки (левая решетка). Движение электронов в «плотных» решетках (правая) затруднено.

А _ v С* ^

Л

через проводник, но, наоборот, неожиданно начинают ему благоприятствовать за счет появления некоторого волнообразного процесса: другими словами, сама вибрирующая решетка становится причиной сверхприводимости.

В соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга в квантовой теории, колебания атомов полностью прекратиться никогда не могут, Даже при температуре, равной абсолютному нулю, атомы в решетке еще сохраняют некоторое, дальше уже не уменьшающееся движение, называемое «колебаниями нулевой точки». Теория сверхпроводимости Фрелиха — Бардина утверждает, что при очень низких температурах эти вибрации атомов и движение электронов через проводник, так сказать, взаимно согласованы (синхронизованы). В результате взаимодействия между атомами и электронами энергия электронов уменьшается, благодаря чему они «скользят» сквозь вибрирующую решетку, как на волнах. Тем самым сопротивление металла потоку электронов исчезает. Такая теория была выдвинута благодаря тому факту, что именно металлы, известные как сравнительно плохие проводники электрического тока при нормальных температурах, наиболее легко становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Исходя из этого, вещества, атомы которых сильно взаимодействуют с проходящими электронами, становятся сверхпро-водимыми при более высокой температуре в отличие от веществ, атомы которых взаимодействуют с электронами слабо. Отсюда следствие: чем тяжелее элемент, тем менее вероятно, что он станет сверхпроводником, так как его соб-ственные колебания при низких температурах будут весьма медленными.

В 1950 году Джон К. Хулм и автор данной статьи решили попытаться найти совершенно иной подход ко всей проблеме. Так как все ранее предложенные теории не дают надежных средств для предсказания, какие именно вещества могут быть сверхпроводниками или при каких температурах они могут достичь этого состояния, мы решили искать сверхпроводимые вещества строго путем опытов. Мы полагали, что после того как будет исследовано большое число разных веществ, станет возможным подметить какие-нибудь физические или химические закономерности, связанные с явлением сверхпроводимости. Не имея почти никаких данных, где и что искать, мы пробовали одно вещество за другим. Сначала нам казалось, что мы ни к чему не идем. Однако после трехлетних исследований огромного числа веществ начало выявляться некое важное обстоятельство. По-видимому, решающим фактором, определяющим, насколько охотно то или иное вещество становится сверхпроводимым, является число валентных электронов, то есть электронов, находящихся в самой внешней, незаполненной оболочке атомов этих веществ. Мы нашли, что единственными веществами, становящимися сверхпроводимы-ми, были элементы или химические соединения со средним числом от 2 до 8 валентных электронов на атом. Легче всего становились сверхпроводимыми вещества с нечетным числом валентных электронов — 3, 5 или 7. Это уже была некоторая закономерность, которую мы искали, — конкретная исходная нить для поисков естественных сверхпроводников или создания их искусственным путем.

Стало быть, теперь мы должны искать вещества со средним числом 3, 5 или 7 валентных электронов на атом. К этому правилу мы можем добавить и несколько других полезных фактов: известно, например, что некоторые формы кристаллических решеток, а также избыток пустого пространства в кристалле (то есть пространство, не занятое атомами) особо благоприятствуют наступлению сверхпроводимости. Руководствуясь этими путеводными эмпирическими правилами, мы получили возможность создавать новые сверхпроводники.

Редкий элемент технеций, находимый только как продукт деления урана в атомных реакторах, имеет семь валентных электронов и «пухлую» кристаллическую структуру, благоприятную для сверхпроводимости. Д. Даунт и Дж. Коблл из Огайского университета нашли, что технеций действительно становится сверхпроводимым при относительно высокой температуре 11° К. Перед технецием и после него в периодической таблице элементов стоят молибден и рутений. Чтобы сделать рутений, имеющий 8 валентных электронов, сверхпроводимым, его надо охладить до 0,5° выше абсолютного нуля. Молибден с его 6 валентными электронами не становится сверхпроводимым совсем, даже при самых низких получаемых температурах (около 0,1° выше абсолютного нуля).

(Окончание см. Hi стр. 39)