Вот так выглядит кристаллическая решетка металлического сероводорода
Газ сероводород вызывает ассоциации не с квантовой физикой, а с непроветренной кухней: он пахнет тухлыми яйцами. Самая возвышенная ситуация, в которой можно столкнуться с сероводородом, — поля гейзеров в Исландии или на Камчатке. Запах хорошо запоминается, хотя и легко выветривается.
Но именно этот газ с отталкивающим запахом стал катализатором прорыва в науке о сверхпроводимости.
Сверхтекучая Нобелевка
Описание эксперимента, который поставили в Майнце (Германия) физики Михаил Еремец и Александр Дроздов со своими коллегами, появилось в августе 2015 года в журнале Nature. Небольшую порцию сероводорода заморозили. Поместили кристаллик под давление 2 млн атмосфер. И наблюдали, как он переходит в парадоксальное квантовое состояние, которое было впервые описано 104 года назад, в 1911-м: всякое электрическое сопротивление пропадает, вещество становится сверхпроводником.
Первые 75 лет такого состояния вещества добивались только в условиях, близких к абсолютному нулю температур, –273ºC. Когда в 1986 году планку удалось поднять до –238ºC, авторы эксперимента Йоханнес Беднорц и Александр Мюллер немедленно, спустя всего год, получили Нобелевскую премию.
Это был шестой по счету случай — к 2015-му их уже восемь! — когда премией по физике награждали именно за сверхпроводимость и родственный ей эффект сверхтекучести. Причем и теоретиков, и экспериментаторов. Среди отечественных нобелевских лауреатов этим двум темам своей медалью обязан чуть ли не каждый третий. Лев Ландау — 1962 год, теория сверхтекучести. Петр Капица — 1978 год, эксперименты со сверхтекучим гелием. Виталий Гинзбург и Алексей Абрикосов — 2003 год, теория сверхпроводимости. Теперь в списке может появиться еще одна строчка.
Михаил Еремец и Александр Дроздов улучшили последний результат вдвое. Их образец сероводорода остается сверхпроводником при –70ºC. Это значит, что сверхпроводимость впервые работает при температуре, которую может показать на Земле уличный термометр: в Антарктике бывает –89ºC, а в якутском селе Оймякон –77ºC.
Цель гонки за рекордами — сверхпроводимость при комнатных условиях. Как только парадоксальные свойства сверхпроводников станут доступны в обычной жизни, мир поменяется не меньше, чем он изменился благодаря электричеству сто лет назад.
Сверхпроводники умеют левитировать в магнитном поле: это, к примеру, позволяет японским поездам на магнитной подушке ездить, не касаясь земли, и разгоняться до 500 км в час. Без громоздкой системы охлаждения тот же трюк будет доступен и автомобилям, и скейтам — как в фильме «Назад в будущее» и «5-й элемент».
Ток, пущенный по сверхпроводящему кольцу, не прекращается после того, как источник тока отключен: это способ запасать энергию, и можно забыть про аккумуляторы.
А медицинские томографы, если перестанут нуждаться в охлаждении жидким гелием, станут чем-то вроде термометра, который можно держать дома, а не ездить за ним в клинику.
Опыт с сероводородом в Майнце делает все это на шаг ближе.
Александр Дроздов со сверхпроводящим образцом в лаборатории в Майнце, 20 ноября 2014 года
Между алмазом и алмазом
«Есть два алмаза, которые повернуты друг к другу вершинками. На вершинках небольшие плоские площадки: у верхнего алмаза маленькая, у нижнего большая. Это так называемая алмазная наковальня», — Михаил Еремец в телефонном интервью автору объясняет, как они с коллегами создавали условия для сверхпроводимости.
Внутрь наковальни закладывали тот самый замороженный сероводород. «Диаметр образца примерно равен диаметру волоса. Грубо говоря, если вы возьмете волос и срежете диск, получится такой кружочек. Вот это и есть наш образец».
Формула по-настоящему больших давлений — огромная сила, приложенная к микроскопической площади. «И это большое давление создается, естественно, алмазами. Потому что алмаз — самое прочное вещество», — напоминает Еремец.
А это — алмазная наковальня,
на которой куется следующая Нобелевка
До 1990 года Михаил Еремец занимался исследованиями в Институте физики высоких давлений в подмосковном Троицке. Эта область науки развилась в СССР в 1950-е: хотели наладить свое производство искусственных алмазов, как в Швеции и США. «Эту проблему в свое время решил академик Верещагин. Он и построил Институт физики высоких давлений, в котором я работал. Без синтетических алмазов очень трудно себе представить вообще любую промышленность. И алмазы — просто замечательный пример того, как фундаментальная наука в конце концов оправдывает себя. Ведь все началось с теории, которая показала, что в принципе можно синтезировать алмаз из графита при 100–200 тыс. атмосфер. Тогда это считалось большим давлением».
Для алмаза сотни тысяч атмосфер нужны только в момент превращения. Потом его можно достать из-под пресса, вмонтировать в сверло или вставить в оправу. С сероводородом не так: если перестать давить, он перестанет быть сверхпроводником.
Если эффект проявляется только у крупинки вещества и только внутри алмазной наковальни — какая от этого польза? Еремец честно признает: «Пока мы не можем говорить о каком-то практическом применении. И даже особенно не задумываемся над этим. Важно, что эксперимент дает понимание: в каких веществах следует искать сверхпроводимость».
Михаил Еремец на семинаре, Германия, Майнц, Институт химии Общества Макса Планка, 15 июля 2015 года
Центр Юпитера и нейтринное море
Сверхпроводимость и сверхтекучесть долгое время были эффектами, которые можно наблюдать только в лаборатории — больше нигде на Земле нет подходящих условий. Но в 1969 году академик и будущий нобелевский лауреат Виталий Гинзбург поставил вопрос иначе: есть ли этим феноменам место хоть где-нибудь в природе?
Варианты нашлись в космосе (пусть это и теоретическая выкладка, которую пока нет никакого способа проверить). Самый экзотический из них — «море нейтрино». Астрофизики допускают, что в первые минуты существования Вселенной, когда после Большого взрыва только начинали образовываться атомные ядра, весь космос был заполнен «нейтринным морем» — своего рода «супом» из все проницающих частиц. Гинзбург в своих работах утверждает, что тогда, больше 13 млрд лет назад, это «море» могло быть сверхпроводящим.
Возможна сверхпроводимость и внутри некоторых небесных тел. Например, белые карлики — небольшие сверхплотные звезды, где сантиметровый кубик звездной плазмы весит тонну. Или планеты-гиганты вроде Юпитера и Сатурна, ядра которых спрессованы гравитацией. Здесь самый легкий газ, водород, которым на Земле надувают воздушные шарики детям, должен, по расчетам теоретиков, под нажимом превращаться в металл — легкий, блестящий, сверхпроводящий и сверхтекучий. И вероятно, всегда жидкий — даже при абсолютном нуле.
Металлический водород описан теоретически, на Земле его никто никогда не видел. Это такой же идеальный объект охоты для физики твердого тела, каким когда-то был бозон Хиггса, «частица Бога», для физики частиц. Группа Еремца старается превратить водород в металл с 1990-х.
«Почему металлический водород такая важная цель? Для него предсказана сверхпроводимость при 200–400 Кельвинах (от –73ºC до –127ºC. — NT). Даже выше комнатной температуры, может быть, — говорит Михаил Еремец. — Но вообще металлический водород — вызов для экспериментаторов и теоретиков. Нужно давление вроде бы на пределе возможного, очень трудно его достичь. Мы долго не могли преодолеть планку 2 млн атмосфер, потом поняли, как это сделать, и вышли на четыре. Правда, без водорода». Теоретиков металлический водород тоже подстегивает: несмотря на кажущуюся простоту, строить модели его поведения чрезвычайно сложно. Очень много квантовых эффектов, ангармонизма, которые сложно учесть в теории.
«Металлический сероводород», который получился у группы Еремца, ученые воспринимают как упрощенную модель металлического водорода. Разница в том, что здесь на каждые три атома водорода приходится дополнительный атом серы, который помогает им занять правильные места в кристаллической решетке. Именно легкие атомы водорода, похоже, и отвечают за сверхпроводимость. Сверхпроводником под большим давлением оказалось и еще одно вещество: фосфин — соединение водорода и фосфора.
Еремец считает, что следующий шаг за химиками-синтетиками: «Дело в том, что вокруг нет таких материалов, которые можно снять с полки и получить сверхпроводимость». Их надо создавать с нуля, ориентируясь на те свойства, которые делают сверхпроводниками сероводород, фосфин и, возможно, металлический водород.
«Есть полимеры со свойствами металлов, вернее, хорошо проводящие полимеры. Но в них сверхпроводимости, как правило, нет. Есть органические сверхпроводники, в которых опять же критическая температура небольшая», — описывает Еремец возможную логику перебора вариантов.
Пятилетний план озарений
Еремец эмигрировал из СССР в 1990-м: «Уехал вначале в Японию, пару лет там побыл, потом в Штаты. А потом получил постоянное место в Германии. И после этого уже стал приглашать людей из России». Все пять авторов статьи про сероводород говорят по-русски, трое из них, включая Еремца, из Троицка.
«Естественно, я бы с большим удовольствием все это делал в России», — признается Еремец и добавляет: «В России это очень трудно, если вообще возможно». И дело даже не в деньгах на исследования. «Решения принимают люди, далекие от науки. А те, кто занимается наукой, более терпеливые. Они понимают, что ничего по плану в науке не делается, — говорит Еремец. — Нужно просто делать хорошо свое дело. Тогда будет и результат. Тот же Капица, с моей точки зрения, оправдал все свои исследования — сверхтекучесть и так далее — тем, что он сделал ожижитель кислорода, который помогал в войну делать хорошие танки».
Петру Капице, который работал со сверхтекучим жидким гелием, нужно было поставить на поток производство сверххолодных сжиженных газов. А кислород, полученный таким способом, оказался востребован для производства стали кислородным дутьем. Предсказать заранее, что изучение сверхтекучести будет иметь такой практически важный побочный эффект, не мог никто.
«Вообще все вопросы практического применения абсолютно бессмысленны», — развивает мысль Еремец. — «Это наука, она во многом непредсказуема. Из нашего дела может ничего не получиться, и это тоже ничего не значит. Потому что мы привнесли самое главное — понимание, знание. Собственно, прогресс в этом и состоит».
Ученые, говорит Еремец, в этом похожи на альпинистов. «Вот когда покорили люди Джомолунгму в
1953 году, весь мир встал на уши. Это примерно как высадка на Луну, как полет в космос. Хотя что там на Джомолунгме — залежи золота? Да ничего. Просто вызов человеку, его способностям достичь чего-то».
Фото: из личного архива Михаила Еремца
