Ритм вселенной. Как из хаоса возникает порядок - Стивен Строгац

Несмотря на свой высокий технологический потенциал, технологии сверхпроводимости внедряются очень медленно. Одним из препятствий всегда были низкие температуры, необходимые для перехода в состояние сверхпроводимости. Чтобы достичь таких температур, приходилось использовать сложные системы охлаждения, реализовать которые можно было лишь в лабораторных условиях. Это было одной из причин, почему открытие явления высокотемпературной сверхпроводимости вызвало столь сильный ажиотаж: критических температур теперь стало возможным достичь путем охлаждения жидким азотом, который не только дешев, но имеется в изобилии. Более серьезным препятствием стала трудность производства прочных и гибких проводов из новых материалов: подобно другим керамическим материалам, они очень хрупки и ломки. К тому же очень нелегко изготовить провода требуемой длины: они теряют свои сверхпроводящие свойства из-за появления дефектов в материалах, когда провод оказывается слишком длинным. Кроме того, в самой перспективной форме сверхпроводящего провода используется серебряное покрытие, что делает такой провод в двадцать раз дороже медного, хотя ожидают, что его стоимость будет снижаться по мере увеличения спроса. И наконец, хотя технология поездов маглев уже отработана, широкому их использованию в Европе и Соединенных Штатах препятствуют как политические, так и экологические соображения.

В начале 1960-х годов никто и не помышлял о чем-то подобном. Ответвления новой теории Бардина-Купера-Шриффера лишь начинали формироваться в лабораториях и университетах по всему миру. Одним из тех, кто интересовался этими вопросами, был молодой аспирант Кембриджского университета. Этому выходцу из Уэльса – невысокого роста, с негромкой речью и в массивных очках с черной роговой оправой – вскоре предстояло обнаружить ряд замечательных следствий из квантового синхронизма, которые в конечном счете открыли человечеству новые возможности для практического применения сверхпроводимости, начиная с визуализации в медицине и заканчивая созданием самых быстродействующих суперкомпьютеров в мире. А собственная научная карьера и судьба этого молодого человека заслуживают отдельного комментария в виду их необычности.

В 1962 г. Брайан Джозефсон был 22-летним аспирантом Кембриджского университета. Его специализацией была экспериментальная физика, но впоследствии его увлек ряд теоретических идей[141], особенно тех, о которых он узнал из курса лекций Фила Андерсона. Сотрудник Bell Laboratories Фил Андерсон, признанный специалист по сверхпроводимости и физике твердого тела, находился в то время в годичном творческом отпуске, который он решил провести в Кембриджском университете. Он почти сразу же обратил внимание на Джозефсона. «Присутствие этого студента на моих лекциях каждый раз сбивало меня с толку и приводило в замешательство, – говорил Андерсон, – поскольку все должно быть правильно. В противном случае он подходил ко мне после лекции и объяснял, как это должно быть на самом деле»[142].

Однажды Джозефсон показал Андерсону кое-какие из выполненных им математических выкладок. Джозефсона интересовало, что произойдет, если два сверхпроводника соединить между собой посредством очень тонкого слоя оксида – толщиной не более одной или двух миллиардных долей метра. Такое соединение было бы похоже на бутерброд: роль двух ломтиков хлеба играли два сверхпроводника, а роль кусочка (очень тонкого кусочка) мяса между ними – слой оксида.

Джозефсон с трудом верил тому, о чем говорили его уравнения. А они говорили о том, что электрический ток может проходить через слой оксида, не встречая сопротивления. Согласно классической физике, так не должно было быть. Оксид является изолятором. Он полностью блокирует прохождение электронов, как если бы он создавал на их пути непроходимую кирпичную стену. Тем не менее из математических выкладок Джозефсона следовало, что изолятор способен превратиться в сверхпроводник, то есть шарахнуться из одной крайности в другую. Вместо того чтобы встретить на своем пути некое подобие кирпичной стены, электроны двигались так, словно на их пути не было ни малейших препятствий. Вместо бесконечно большого сопротивления возникала сверхпроводимость.

Предсказание Джозефсона основывалось на квантовом явлении, известном как туннельный эффект или туннельный переход[143]. Квантовой частице, упавшей в глубокую яму, вовсе не обязательно карабкаться наверх, чтобы выбраться из этой ямы. Как по волшебству, она может проскочить сквозь стенку, даже не оставив после себя дырку!

Подобно многому в квантовой теории, туннельный переход противоречит здравому смыслу и нашим привычным представлениям об окружающем мире. Однако это явление покажется вам несколько менее парадоксальным, если вы вспомните, что квантовые частицы могут вести себя подобно волнам. Точно так же как звуковые волны, возникающие во время шумной вечеринки, могут проникать сквозь стены в соседнюю квартиру, квантовая волна способна просочиться сквозь барьер, который на первый взгляд кажется непроницаемым. Шансы невелики, но они существуют. А если речь идет о стенке бумажной толщины, подобно слою оксида в выкладках Джозефсона, то туннельный переход превращается из гипотетической возможности в реальность: он действительно имеет место! Это было подтверждено экспериментальным путем. Вообще говоря, лишь двумя годами ранее Айвор Джайевер, в то время аспирант Политехнического института Ренсселаера в Трое, Нью-Йорк, продемонстрировал, что отдельные электроны могут совершать туннельный переход из одного сверхпроводника в другой сквозь изоляционный барьер (правда, для этого их нужно было «подтолкнуть», подав соответствующее электрическое напряжение). Однако сейчас математические выкладки Джозефсона указывали на нечто еще более странное: туннельный переход мог совершаться без помощи электрического напряжения!

Чтобы получить интуитивное представление о том, насколько парадоксально это явление, представьте поток электричества как аналог потока воды. Точно так же, как поток воды движется сверху вниз, электрический ток движется от более высокого напряжения к более низкому. Теперь представьте два ведра, причем в дне каждого ведра проделана небольшая дырочка. Ведра соединены между собой тонким шлангом, по которому вода может перетекать из одного ведра в другое (аналогично двум сверхпроводникам, соединенным между собой тонким слоем оксида). Если оба ведра наполнить одинаковым количеством воды и подвесить одно из них на крюке, закрепленном наверху лестницы, а другое – внизу лестницы, то вода будет перетекать из верхнего ведра в нижнее. Но если оба ведра подвесить на одном уровне и оставить их в таком положении, то вы не можете рассчитывать, что вода будет самопроизвольно перетекать из одного ведра в другое. Вода не вытекает в сторону. Однако именно такое поведение предсказывали уравнения Джозефсона: поток электричества между двумя сверхпроводниками, находящимися под одним и тем же напряжением.