№1, 2004 г.

Лауреаты Нобелевской премии 2003 года по физике

Нобелевская премия по физике за 2003 г. присуждена
А.А.Абрикосову, В.Л.Гинзбургу и Э.Дж.Леггетту
за пионерский вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей.

Академик Виталий Лазаревич Гинзбург родился в Москве в 1916 г. Выпускник Московского государственного университета (1938), он с 1940 г. и по настоящее время работает в Физическом институте Академии наук, где долгое время возглавлял теоретический отдел. На протяжении нескольких десятилетий руководил Общемосковским физическим семинаром. Член ряда зарубежных академий и научных обществ.
Академик Алексей Алексеевич Абрикосов, имеющий ныне российское и американское гражданство, родился в Москве в 1928 г. Окончив Московский государственный университет, до 1965 г. работал в Институте физических проблем АН СССР, а затем - в Институте теоретической физики АН СССР и Институте физики высоких давлений АН СССР. В начале 90-х годов покинул родину... Сейчас является почетным сотрудником Аргонской национальной лаборатории (Иллинойс, США).
Энтони Леггетт (Anthony Leggett) родился в 1938 г. в Лондоне. Оставаясь британским подданным, стал также гражданином США. Докторскую степень по физике получил в Оксфордском университете, а сейчас - профессор в Университете штата Иллинойс (США). Э.Леггетт - иностранный член Российской академии наук.

Работы по сверхпроводимости и сверхтекучести уже не раз отмечались Нобелевскими премиями. Нынешняя премия - шестая в области сверхпроводимости и четвертая в области сверхтекучести. Явления эти родственные и безусловно - фундаментальные. Особый интерес к ним связан с тем, что в обоих случаях мы сталкиваемся с действием квантовых законов в макроскопических масштабах. Конечно, правильное понимание многих явлений в физике конденсированного состояния, даже таких привычных, как течение электрического тока по проводам или намагничивание железа, основано на квантовых законах. Однако, если не копать слишком глубоко, в большинстве случаев удается обойтись простыми классическими моделями, известными из школьных учебников. Сверхпроводимость и сверхтекучесть не поддаются объяснению на школьном уровне. Попытки наглядного описания этих явлений содержат внутренне противоречивые образы, такие как жидкость, текущую с двумя разными скоростями одновременно, или же “квазимолекулы”, образованные двумя электронами, но имеющие размер намного больше среднего расстояния между электронами, из которых состоит газ. Из-за отсутствия наглядности очень важно иметь правильную и по возможности простую теорию, которая позволяла бы ориентироваться в необычном поведении сверхпроводников и предсказывать их свойства. Такую роль уже более полувека играет теория В.Л.Гинзбурга и Л.Д.Ландау, предложенная авторами в 1950 г.

В отсутствие магнитного поля переход металла в сверхпроводящее состояние есть непрерывный фазовый переход, или переход второго рода. Теория Гинзбурга и Ландау - последовательное применение к сверхпроводимости общей теории фазовых переходов, сформулированной Ландау в 1937 г. Применение это оказалось, однако, не простым. В теории Ландау непрерывные переходы связываются с изменением симметрии фазы, в которой находится рассматриваемое вещество. Формально симметрия описывается параметром порядка - математической величиной, зависящей от того, какая симметрия нарушается при рассматриваемом фазовом переходе. Вид параметра порядка обычно устанавливается из физических соображений, так, для ферромагнетика его роль играет спонтанная намагниченность.

В сверхпроводнике параметр порядка - комплексная функция координат, она во многом похожа на волновую функцию частицы в квантовой механике и была обозначена той же буквой Y. Симметрия, которая нарушается при переходе в сверхпроводящее состояние, - калибровочная, т.е. симметрия по отношению к изменению комплексной фазы функции Y. Когда в 1957 г. была построена микроскопическая теория сверхпроводимости, стало ясно, что Y - волновая функция, описывающая движение как целого куперовских пар, тех самых “квазимолекул”, которые упоминались выше. В статье Гинзбурга и Ландау выведено уравнение для функции Y и установлена связь этой функции с наблюдаемыми физическими величинами, в частности со сверхпроводящими токами и создаваемыми ими магнитными полями. Несмотря на то, что теория Гинзбурга и Ландау применима только вблизи температуры перехода металла в сверхпроводящее состояние и описывает лишь стационарные явления, она оказалась мощным инструментом исследования различных сверхпроводников. Большое достоинство данной теории - ее общность. В последние годы открыто много новых сверхпроводящих соединений, включая высокотемпературные сверхпроводники, к которым не применима микроскопическая теория сверхпроводимости. В этих условиях теория Гинзбурга и Ландау остается единственным средством, позволяющим разобраться в наблюдаемых свойствах этих соединений.

Одним из наиболее ярких применений теории Гинзбурга и Ландау стала построенная А.А.Абрикосовым теория сверхпроводников второго рода.

Деление сверхпроводников на две большие группы - первого и второго рода формально производится по знаку поверхностной энергии, т.е. энергии границы, разделяющей сверхпроводящую и нормальную фазы в магнитном поле, в расчете на единицу площади границы. Выражение для поверхностной энергии через характеризующие сверхпроводник постоянные было приведено в уже упоминавшейся статье Гинзбурга и Ландау 1950 г., там же было отмечено, что поверхностная энергия может быть как положительной, так и отрицательной, но рассмотрен был только случай положительных энергий. Реальное существование сверхпроводников с отрицательной поверхностной энергией предположили А.А.Абрикосов и Н.В.Заварицкий в 1952 г. при интерпретации экспериментов Заварицкого по исследованию критических магнитных полей тонких сверхпроводящих пленок.

Полная теория сверхпроводников второго рода была опубликована Абрикосовым в 1957 г. Магнитные свойства сверхпроводников с разными знаками поверхностной энергии кардинально различны. Чтобы не вводить несущественные усложнения, обычно имеют в виду образец в форме длинного цилиндра с осью, параллельной полю. В сверхпроводниках первого рода (с положительной поверхностной энергией) наблюдается эффект Мейснера, т.е. магнитное поле, меньшее некоторого критического значения Hcm (обычно порядка нескольких сотен эрстед), вытесняется из толщи сверхпроводника. Поле, большее Hcm, разрушает сверхпроводимость. В сверхпроводниках второго рода картина иная: магнитные поля с очень малой напряженностью также вытесняются сверхпроводником, однако по мере роста поля при некотором значении Hc1<Hcm поле начинает проникать в сверхпроводник в виде квантованных вихрей. Магнитное поле сосредоточено в области ствола вихря, где сверхпроводимость подавлена. Проникновению поля за пределы ствола препятствуют сверхпроводящие токи, циркулирующие вокруг ствола, причем произведение величины поля на площадь поперечного сечения ствола равно кванту магнитного потока F0=pђc/e, где e - заряд электрона, c - скорость света, а ђ - постоянная Планка.

При дальнейшем увеличении поля число проникших в сверхпроводник вихрей растет. Они образуют треугольную решетку, которую современные экспериментальные методы позволяют увидеть и сфотографировать. Тем самым квантование потока становится непосредственно видимым. Разрушение сверхпроводимости происходит в поле Hc2, когда начинают перекрываться стволы вихрей. Это поле может в десятки раз превышать критическое поле Hcm. Благодаря тому, что сверхпроводники второго рода могут оставаться в сверхпроводящем состоянии в сильных магнитных полях, их используют при изготовлении сверхпроводящих магнитов, работающих в современных ускорителях, плазменных реакторах, медицинских томографах. Это - главная область практического применения явления сверхпроводимости.

Третьему лауреату этого года профессору Э.Леггетту премия присуждена за вклад в теорию сверхтекучести жидкого 3Не. Атомы 3Не, в отличие от химически идентичного 4Не, имеют спин 1/2 и подчиняются статистике Ферми. Переход жидкости, состоящей из атомов 3Не, в сверхтекучее состояние возможен только в результате образования куперовских пар. Взаимодействие, которое порождает куперовские пары в жидком 3Не, отличается от фононного притяжения электронов, ответственного за связывание подобных пар в металлах. В 3Не более выгодным оказывается образование пар из фермиевских частиц с относительным моментом количества движения 1 (в единицах ђ). В силу симметрийных запретов и спин такой пары также должен быть равным 1, а не 0, как у электронов в металлах. В результате куперовская пара перестает быть симметричной. Говоря формально, вместе с калибровочной симметрией нарушаются и другие симметрии, например, по отношению к пространственным поворотам. Такое куперовское спаривание назвали необычным, и впервые оно было обнаружено и изучено в жидком 3Не. Более сложное нарушение симметрии требует для своего формального описания более сложного параметра порядка. Вместо одной комплексной функции в металлических сверхпроводниках в 3Не приходится иметь дело с комплексной матричной функцией координат, имеющей размерность 3ґ3. Из-за этого оказывается возможным существование нескольких различных сверхтекучих фаз. В эксперименте, в котором была открыта сверхтекучесть 3Не, наблюдались две фазы - А и В. Позднее, при исследовании поведения вновь открытых фаз в сильном магнитном поле, была обнаружена еще одна - А1-фаза.

Первый вопрос, на который необходимо было ответить - какой параметр порядка соответствует каждой из фаз. Решающую роль в ответе сыграла построенная Леггеттом теория магнитной динамики сверхтекучего 3Не. С помощью выведенных им уравнений Леггетт нашел измеряемые методом ЯМР сдвиги резонансных частот для возможных параметров порядка. Сравнение с экспериментом позволило однозначно идентифицировать все обнаруженные фазы. Леггетт предсказал существование в сверхтекучем 3Не новой - продольной - моды магнитного резонанса, что также совпало с результатами наблюдений. Быстрый успех в исследовании других свойств сверхтекучего 3Не в значительной мере был обусловлен правильной идентификацией параметра порядка обнаруженных фаз. Уравнения Леггетта позволяют интерпретировать результаты, полученные в 3Не для сложных экспериментальных ситуаций, например, когда параметр порядка изменяется в пространстве или в сосуде со сверхтекучим гелием имеются квантованные вихри. С помощью этого метода удается даже отличить имеющиеся в 3Не разные типы вихрей. Предполагается использовать метод ядерного резонанса и уравнения Леггетта для исследования квантовой турбулентности.

Вслед за 3Не были открыты металлические сверхпроводники, в которых также осуществляется необычное куперовское спаривание: UPt3, UBe13, UGe2 и другие соединения. Их исследование в значительной мере опиралось на результаты и теоретические методы, разработанные для 3Не. Правда, метод магнитного резонанса в этих соединениях не столь эффективен, как в 3Не, может быть, поэтому ни в одном из необычных сверхпроводников пока не произведена уверенная идентификация новых фаз.

Здесь были упомянуты лишь те работы лауреатов, которые имел в виду Нобелевский комитет, присуждая им премию. Вклад каждого из них даже в ту область, за которую присуждена премия, не исчерпывается перечисленными результатами. Все трое известны своими работами и в других разделах физики.

© Член-корреспондент РАН И.А.Фомин
Институт физических проблем им.П.Л.Капицы РАН
Москва

 
VIVOS VOCO! - ЗОВУ ЖИВЫХ!