Академик Виталий Гинзбург: Нанотехнологии и сверхпроводимость

Уже 70 лет я занимаюсь физикой (в смысле – работаю в этой области) после окончания в 1938 году физфака МГУ. Но, грешен, о нанотехнологиях узнал лишь несколько лет назад. Конечно, речь не о сути, а о термине, о том, что по-гречески нанос (nanos) – это карлик. Неудобно, конечно же, говорить о “карликовых технологиях”. Основным объектом физики и химии ХХI века является микромир – мир молекул, атомов и еще более “маленьких” частиц. Работу же, например, туннельного сканирующего микроскопа и создание различных микросхем можно отнести к нанотехнологиям.

Гинзбург Виталий Лазаревич

Несомненно, какое-то, в первую очередь словесное, выделение нанотехнологий и особое внимание к ним оправданы, но пока что главным достижением в области нанотехнологий у нас является предоставление Российской академии наук новых 10 вакансий академиков и 20 вакансий членов-корреспондентов для лиц, считающих себя нанотехнологами. Несомненно, выборы в мае с.г. будут с успехом проведены и таким образом будет, о чем рапортовать.

Хотелось бы видеть и более “материальные” успехи, поэтому перейду к тому, ради чего в первую очередь пишу эту статью.

Важной, быть может, одной из самых важных проблем в области нанотехнологии является создание комнатно-температурных сверхпроводников. Это утверждение нужно пояснить, что вряд ли возможно, если не обратиться к истории изучения сверхпроводников.

Сверхпроводимость, то есть протекание электрического тока через проводник без сопротивления и, следовательно, без потерь (в первую очередь без выделения тепла), была открыта в 1911 году в Лейдене (Голландия) на примере ртути. В этом случае критическая температура Тс, выше которой сверхпроводимость исчезает, равна 4,15К (то есть 4,15 градусов Кельвина; в этой температурной шкале нулю градусов Цельсия соответствует 273К). При такой температуре все вещества, кроме гелия, являются уже твердыми, и таким образом охлаждать образец можно только жидким гелием. Но гелий – это довольно редкий и дорогой элемент. Главное же, он сжижается, то есть переходит из газового состояния в жидкое, только при температуре в 4,2К.

Получен жидкий гелий был только в 1908 году в том же Лейдене, и целых 15 лет Лейденская криогенная лаборатория была единственным обладателем жидкого гелия. Лишь в 1923 году жидкий гелий был получен в Канаде. У нас (в СССР) жидкий гелий впервые стал доступен в 1932 году в Харькове в результате усилий Л.В.Шубникова – очень талантливого физика-экспериментатора, получившего вскоре ряд важных результатов при изучении сверхпроводимости. Но, увы, его работа была прервана в 1937 году – ученого совершенно безвинно арестовали и расстреляли (ему было всего 36 лет).

Но вернемся к сверхпроводимости. После открытия этого свойства вещества всем стало ясно, что оно сулит огромные выгоды, если его удастся использовать в электротехнике и, конкретно, в линиях электропередачи. Но для этого, очевидно, нужно иметь сверхпроводники, критическая температура Тс у которых достаточно высока и составляет хотя бы 30оС (30 градусов Цельсия – это около 300К). И вот вся история исследований сверхпроводимости, не говоря об ее изучении как физического явления, происходит под знаком поиска и создания сверхпроводников с возможно более высокой критической температурой Тс.

Эта задача оказалась очень трудной. Несмотря на немалые усилия, к 1974 году удалось получить вещество c Тс ~ 24К (Nb3Ge)1. После этого довольно долго не удавалось найти вещества с более высоким значением Тс, пока в 1986 году не было обнаружено, что в одном из купратов, содержащих медь, Тс ~ 35К. Это и родственные ему вещества часто называют высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП). Я думаю, однако, что ВТСП разумнее называть вещества с Тс > 77,4К, то есть те, для которых Тс выше температуры кипения (при атмосферном давлении) жидкого азота.

Такие ВТСП и были получены уже в начале 1987 года. Очевидно, ВТСП уже можно охлаждать для перехода в сверхпроводящее состояние жидким азотом, который несравненно дешевле и доступнее жидкого гелия. Открытие ВТСП привело к подлинному буму, одним из проявлений которого явилось присуждение Нобелевской премии по физике уже в 1987 году за открытие упомянутых купратов с Тс ~ 35К (как ясно из сказанного, они еще не являются ВТСП при указанном выше определении ВТСП). Однако именно на их базе (при изменении их состава путем введения некоторых элементов) получаются подлинные ВТСП. В результате многочисленных исследований к настоящему времени удалось получить ВТСП с Тс ≤ 135К при атмосферном давлении (при высоком давлении достигнуто значение Тс = 165К).

Нужно сказать, что крайне оптимистические надежды, связанные с открытием ВТСП, в основном не оправдались, ибо известные ВТСП материалы (керамики) нелегко использовать в технике. Но все же, например, кабели для электропередачи на основе ВТСП уже сделаны и применяются.

Стоящая сегодня задача состоит в том, чтобы найти или создать вещества с Тс ~ 300К, то есть комнатно-температурные сверхпроводники (КТСП). Эта цель кажется вполне достижимой, если подходить к делу чисто формально, ведь за примерно 100 лет (с 1911 года по настоящее время) Тс для известных сверхпроводников возросла в 25–40 раз (с 4,15К для ртути до 100–135К в известных ВТСП). Казалось бы, поднять Тс еще раза в три должно быть не так уж трудно. Но так рассуждать, конечно, нельзя – получение КТСП является очень трудной задачей.

Эта задача, насколько мне известно, была поставлена в реальном плане только в 1964 году (до открытия ВТСП) Б.Литтлем (США) и мною. После этого в Теоретическом отделе ФИАН была создана группа теоретиков во главе с Д.А.Киржницем и мною, которые занялись анализом возможностей создания ВТСП и КТСП. Плодом нашей работы явилась книга “Проблема высокотемпературной сверхпроводимости”, изданная у нас в 1977 году (М.: “Наука”) и в английском переводе в 1982 году. Эта книга оставалась единственной в мировой литературе на тему о ВТСП и КТСП вплоть до тех пор, пока ВТСП не была открыта в 1986–1987 годах.

В нашей работе было опровергнуто имевшееся в литературе утверждение о том, что ВТСП вообще невозможна. Были указаны также некоторые пути, ведущие к цели (слоистые квазидвумерные соединения и т.п.). Как это обычно бывает в подобных случаях, к нашей деятельности до 1987 года относились весьма скептически, и даже недоброжелательно (как сейчас помню одного физика, с кривой улыбкой спрашивающего меня: “Ну, как дела с вашей жаропрочной сверхпроводимостью?”).

После открытия ВТСП положение коренным образом изменилось, и работы по сверхпроводимости посыпались как из рога изобилия. Тем не менее до сих пор многое в отношении ВТСП остается неясным, ибо эти материалы оказались очень сложными. Особенно важно, что окончательно не выяснен механизм ВТСП и, конкретно, такой же он, как в низкотемпературных сверхпроводниках, или какой-то другой. Но писать об этом здесь было бы, к сожалению, неуместно (см., например, журнал “Успехи физических наук” 175, 187 (2004) и 178, №2 (2008); журнал имеется в Интернете: www.ufn.ru).

Здесь достаточно сказать, что в других странах сейчас энергично ведется работа по дальнейшему изучению ВТСП. Особенно впечатляющи эксперименты Ивана Бозовича (это американец сербского происхождения), работающего в Брукхэвенской лаборатории в США (его доклад публикуется в УФН 178, №2 (2008) и уже доступен на сайте www.ufn.ru). Теоретики продолжают активно обсуждать возможности создания КТСП.

Поскольку вопрос не выяснен, могу лишь высказать свое мнение. Думаю, что создание КТСП особенно вероятно с использованием так называемого электрон-фононного взаимодействия2 в веществах, где это взаимодействие достаточно сильное. Для этого, в частности, нужны вещества с соответствующей кристаллической решеткой. Вообще же, создание веществ с заданной кристаллической структурой – это одна из важнейших задач физики твердого тела. Сделать кое-что здесь можно традиционными химическими методами, но они весьма ограниченны. Будущее здесь принадлежит нанотехнологиям.

В настоящее время для вещества с известной кристаллической решеткой можно определить все его свойства как экспериментально, так и теоретически, в том числе рассчитать критическую температуру сверхпроводимости Тс. Но вот обратная задача еще не решена: как оптимизировать кристаллическую решетку для получения заданной величины такого “интегрального” параметра, как Тс, или некоторых других параметров, улучшающих практические свойства используемых нами веществ. Это задача и теоретическая (поскольку метод перебора природно существующих комбинаций достиг границ применимости), и экспериментальная (модельных расчетов совершенно недостаточно).

Создание КТСП – это получение искусственных структур с определенным электронным спектром и сильным электрон-фононным взаимодействием. Сложность этой задачи обуславливается отсутствием так называемого малого параметра и необходимостью учета электронных корреляций. В то же время сверхпроводимость значительно менее чувствительна к “чистоте технологии” по сравнению с эффектами, наблюдаемыми (и используемыми) в полупроводниковых структурах. Это связано с тем, что характерные для сверхпроводников плотности электронов существенно больше, чем для полупроводников, и потому сверхпроводящие материалы менее чувствительны к дефектам и остаточным примесям – “грязи”, определяемой возможностями технологии.

Это позволяет, в принципе, конструировать искусственные слоистые сверхпроводниковые наноструктуры, нанося атомные слои не только из тех материалов, у которых параметры кристаллической решетки близки друг к другу (как требуется для полупроводниковых структур). Таким образом, можно использовать гораздо большее разнообразие проводников и диэлектриков, нанося их монослои с атомной точностью для создания искусственного электронного и фононного спектров. Именно это позволяет сделать исследования сверхпроводящих материалов неким “полигоном” для отработки нанотехнологических методов для сильно-коррелированных структур.

Итак, создание КТСП – это, в значительной мере, нанотехнологическая проблема и, на мой взгляд, одна из важнейших. Для исследования этой проблемы нужно иметь современную лабораторию типа упомянутой лаборатории И.Бозовича в США. Но у нас такой лаборатории нет. Между тем во времена СССР мы были в первом ряду в изучении сверхпроводимости. Необходимо возродить в России исследования в этой области. Для этого имеются подходящие возможности. Я инициировал такой проект в 2006 году. Призыв не остался без ответа, вижу в этом признаки новой политики, направленной на осуществление долгосрочных проектов.

Министр образования и науки Андрей Фурсенко помог начать создавать лабораторию. Инициативу поддержал и директор Физического института им. П.Н.Лебедева РАН академик Геннадий Месяц, в институте был создан Центр высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур. В настоящее время в Правительстве РФ рассматривается проект инвестиций в центр. К сожалению, порядки внутри академии таковы, что все это дело очень затягивается.

Хочу надеяться, что Центр высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур станет одной из узловых точек создаваемой в стране инфраструктуры нанотехнологий, будет источником красивых физических результатов, генератором знаний о методах создания новых материалов, базой для подготовки квалифицированных специалистов, исходной точкой для так называемого трансфера технологий.

• 1) Nb3Ge это сплав ниобия с германием. Более известен и, главное, важен с точки зрения практических применений сплав Nb3Sn (Sn – олово) с Тс = 18,1К (получен в 1954 году).
• 2) Электрон-фононное взаимодействие – это взаимодействие электронов проводимости с колебаниями атомов и ионов, образующих кристаллическую решетку твердого тела. Эти колебания представляют собой совокупность звуковых волн, на квантовом языке называемых фононами.

Comment No.1 написал: ExpertSC (29 февраля 2008 11:37)

По призыву В.Л. Гинзбурга уральские ученые из УГТУ-УПИ создали мультиэлектронную теорию высокотемпературной сверхпроводимости, отвечающую всем современным требованиям (ОНЖ, 17, 2008). На этой основе финансово-промышленный венчурный фонд ВПК (Екатеринбург) принял решение о финансировании работ по синтезу КТСП. На первом этапе предусмотрено создание лаборатории сверхпроводимости и ее изучении на основе компьютерных программ с искусственным интеллектом («Эксперт-урал», февраль 2008).

http://www.poisknews.ru/?…

Умный человек Виталий Лазаревич. Не только умный, но и остроумный. А также – проницательный. Не мудрено, что он вот уже в течение многих десятилетий столь успешно «рассекает» многочисленные физические (и химические) проблемы… Что касается современности, то и здесь он конструктивно-категоричен: «…Но у нас такой лаборатории нет. Между тем во времена СССР мы были в первом ряду в изучении сверхпроводимости. Необходимо возродить в России исследования в этой области. Для этого имеются подходящие возможности…» Побольше бы нам таких гинзбургов и алфёровых, и можно было бы не опасаться за судьбу отечественной науки…