Что такое высокотемпературная сверхпроводимость? Как она была обнаружена? Почему большинство специалистов относились к этой идее скептически? Почему сейчас развитие многих научных и практических направлений немыслимо без сверхпроводимости? Об этом — наш разговор с членом-корреспондентом РАН Владимиром Моисеевичем Пудаловым, руководителем Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.
— Владимир Моисеевич, почему ваш центр носит имя академика В.Л. Гинзбурга?
— Виталий Лазаревич Гинзбург — нобелевский лауреат, сотрудник ФИАН, великий физик, который был энтузиастом и пропагандировал идею достижения сверхпроводимости при комнатной температуре даже в те времена, когда были повсеместный скептицизм и насмешки над этой идеей. Он пропагандировал эту идею сначала теоретически, а потом, когда стали появляться первые обнадеживающие результаты, обратился к правительству с предложением создать центр по исследованию и созданию новых материалов — сверхпроводников при комнатной температуре. И это предложение было поддержано, центр построили, мы в нем работаем.
— Давайте объясним, что такое явление сверхпроводимости и почему оно так важно.
— Начнем издалека. Вообще, способность создавать и использовать твердые материалы определяет уровень развития общества. Даже исторические эпохи принято называть по имени материалов. Вспомните каменный век, бронзовый, железный — так постепенно мы переходим к сверхпроводимости. Еще надо вспомнить, что уровень развития общества определяется не только умением владеть материалами, но и умением добывать и использовать энергию. Чем больше энергии используется в расчете на одного человека, тем более высокоразвитым считается общество. Благосостояние общества этим определяется. Отсюда сразу понятно, что есть два пути: один — производить энергии все больше, другой путь — экономить энергию.
Мы понимаем, что природные ресурсы исчерпаемы. Правда, есть надежда на управляемую термоядерную реакцию, которая пока сталкивается все с новыми трудностями. Будем энтузиастами, будем надеяться, что все получится. А вот экономить энергию — это вполне реальный путь уже сегодня.
— Это как? Жить при свечах?
— Это не терять ее там, где ее можно не терять. Например, при передаче энергии на большие расстояния колоссальная часть электроэнергии теряется из-за сопротивления, из-за выделения джоулевого тепла. Простой пример: у меня дача в поселке, есть всего одна длинная улица. На входе в этот поселок напряжение 240 В, а в конце 180 В. Так что 60 В потерялись в проводах и нагревают воздух. Конечно, это не значит, что надо немедленно делать эту линию сверхпроводящей, но есть более серьезные примеры, когда нужно провести, например, кабели для энергоснабжения в масштабе плотной городской исторической застройки, когда эти кабели невозможно тянуть по воздуху, а можно протянуть под землей. Тогда это становится выгодно.
Другой пример — авиация, судостроение, все, что связано с электродвигателями. Там уменьшение веса и габаритов или повышение мощности при ограниченных габаритах — это то, чего можно достигнуть с помощью сверхпроводимости. Если обмотку у электромоторов, статор и ротор сделать сверхпроводящими, тогда повышаются полезные показатели. Казалось бы, авиация не настолько связана со сверхпроводимостью, тем не менее сейчас ведутся работы по «электрическим» самолетам. Airbas, Boeing, Объединенная авиастроительная корпорация в России работают над созданием самолетов с единым генератором электричества и тяговыми электромоторами на крыльях, которые можно делать сверхпроводящими. КПД такого самолета будет выше, стало быть, экономия топлива очевидна.
Вот еще простой пример: тот, кто долго живет в Москве, помнит, что у нас были глобальные сбои электричества из-за аварий в энергосетях. Фактически из-за короткого замыкания в одной из цепочек начинается веерное отключение электричества в крупных масштабах. Но у нас такое редко бывает, а в Америке такое буквально каждые две недели. Там более устаревшие энергосети.
— Неужели в этом они от нас отстали?
— И не только в этом. Они отстают от нас во многих областях. Однако разные участки наших сетей нужно изолировать друг от друга, чтобы не было эффекта падающего домино. Здесь нужны и ограничители тока короткого замыкания, и согласователи, потому что если вы одну цепь соединяете с другой, у них фаза должна быть одинаковая, а не со сдвигом. Если вы соедините две сети переменного тока с различающейся фазой, то произойдет короткое замыкание. Здесь в обоих случаях нужны сверхпроводящие ограничители и трансформаторы. Это то, что обеспечивает безопасность. У нас в РЖД уже применяются сверхпроводящие ограничители тока короткого замыкания и сверхпроводящие трансформаторы для согласования.
— А в энергетике в России они применяются?
— Пока нет, энергетика — такая консервативная область, там экспериментировать нельзя. Но со временем, я думаю, до этого дойдет, как и в РЖД. Вот еще пример: у меня на даче лимит электроэнергии — 15 кВт на каждый дом. Давайте обеспечим каждого жителя России мощностью 20–30 кВт, тогда это покроет потребности и в питании, и в проживании, в отоплении, в передвижении.
Мы знаем, что от Солнца на Землю падает примерно 1,4 кВт мощности на 1 м2. Если мы выделим 20 м2 на каждого жителя России, то есть в целом 3 тыс. км2 — небольшую малоиспользуемую площадь где-то, например, в Калмыкии, где солнце стоит высоко, то, застроив солнечными элементами площадку вполне обозримых размеров 55×55км, мы можем обеспечить необходимым количеством электроэнергии все население России.
— Но как передать эту энергию?
— Да, это проблема. Здесь не обойтись без сверхпроводящих линий. И для этого нужны новые сверхпроводящие материалы, более дешевые и способные работать при более высокой температуре, чтобы их не надо было охлаждать. Сейчас материалы, которые имеют «нулевое» сопротивление, производятся, но они дороги и требуют дорогостоящего охлаждения.
— Ваш центр носит название «Центр высокотемпературной сверхпроводимости», а академик В.Л. Гинзбург мечтал о комнатных температурах. Можно ли этого достичь, как вы думаете?
— Когда он убеждал меня заняться этой проблемой, а он уговорил меня переключиться на эту область из другой области физики 17 лет назад, он говорил: «Я, наверное, не доживу, а вы, если будете хорошо работать, увидите».
И мы уже работаем с материалами, у которых сверхпроводимость достигается при вполне обыденных температурах, например в морозильнике, всего при –20° C. Представьте себе, явление, которое было открыто Хейке Камерлинг-Оннесом в начале XX в. при температуре 4 К. А сейчас — при 253 К (–20° С).
— 4 К — это же какая-то космическая температура?
— Именно космическая: это температура реликтового излучения в космосе, так сказать, отголоски Большого взрыва. Но это одновременно температура кипения жидкого гелия, поэтому большинство сверхпроводников старого типа охлаждаются именно до этой температуры, и это дорого. Вот две проблемы, которые мешают широкому применению сверхпроводимости: дороговизна изготовления существующих материалов и необходимость их охлаждения. Высокотемпературные сверхпроводящие материалы, выпускаемые в России, очень хорошего качества, может быть, даже лучше американских и японских, но они дороги. Да и в полную силу они могут работать только при охлаждении до температуры жидкого гелия, как минимум до жидкого водорода. Коммерческая фирма выпускает их в необходимом количестве, но составы и технология изготовления очень сложны. Конечно, технологии совершенствуются, и это один путь достижения сверхпроводимости при комнатной температуре. Другой путь — мы ищем новые материалы, пытаемся использовать новые принципы, создаем новые материалы. Но пока только в лаборатории.
— Расскажите подробнее о ваших поисках. Что конкретно вы делаете?
— Тут есть два направления. Первое — самое быстрое, и, конечно, надо пойти по нему. Никто не знал, как достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Об этом мечтали многие, но тот путь, который мы используем, — устанавливаем возможности известного механизма сверхпроводимости за счет колебаний атомов. Когда один электрон пролетает в решетке, он немного возмущает атомы, они начинают колебаться и следующий электрон, который пролетает навстречу, чувствует это искаженное поле решетки. Таким образом электроны обмениваются порцией (то есть квантом) колебаний и склеиваются в пару. Чем легче атомы решетки, тем больше энергия склеивания этих электронов, которые должны объединиться в пару, чтобы создать сверхпроводящее состояние. Значит, нужен мощный «клей». Нужны колебания решетки с как можно большей частотой.
Естественный выбор — водород, самый легкий элемент, обеспечивающий это склеивание. Вот на этом пути мы создаем гидриды — материалы, содержащие много водорода. У них в кристаллической решетке находится тяжелый атом, например лантан, иттрий, тербий, и вокруг него — много атомов водорода. Атомы водорода колеблются, создавая необходимые условия для того, чтобы электроны соединялись в пары. Поодиночке электроны не могут переносить сверхпроводящий ток, им нужно объединиться в пары.
Конечно, процесс создания нового материала — очень сложный процесс, и мы работаем коллективно, вместе с теоретиками, не в одиночку. Теоретики подсказывают, рассчитывают, какие материалы можно сделать. Мы работаем вместе с коллегами из Сколтеха, Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, специалистами по созданию высоких давлений.
Надо сказать, что эти супергидриды, например лантай-итрий-водоро-10 (LaYH10), при обычном атмосферном давлении нестабильны. Чтобы они стали стабильными, чтобы образовалось металлическое соединение, нужно приложить высокое давление. Это происходит в камерах с высоким давлением, и там достигается сверхпроводимость в очень маленьком объеме. Наш температурный рекорд — 253 К. Это ровно –20° С. Конечно, создаваемый полигидрид нельзя прямо сейчас применять в народном хозяйстве, но это колоссальный успех.
— Что он доказывает?
— Что на этом пути можно использовать старый известный механизм склеивания электронов в пары и получать такие высокие критические температуры. Надо сказать, что это нетривиальный результат. Еще лет 40 назад были ошибки в теоретическом понимании. Многие специалисты считали, что в материалах Nb3Sn, Nb3Ge, теперь называемых «низкотемпературные сверхпроводники», уже достигнут предел критической температуры (около 23 К) и данный механизм исчерпал свои возможности. На самом деле, как мы теперь видим, нет.
Это один путь, по которому мы идем, создавая сверхпроводящие соединения гидриды и стараясь модифицировать их так, чтобы можно было снижать и снижать давление. Есть надежда снизить это давление примерно в 100 раз. Появились материалы, которые, возможно, могут быть сверхпроводниками при температурах около комнатной, но при давлении всего 10 тыс. атм (кБар). Это уже в 100 раз меньше, чем 1–2 млн атм, при которых ставятся рекорды. Самое главное — не так важен рекорд, как путь, по которому надо идти.
Второе направление — создание материалов уже в комнатных условиях, которые стабильны, не превращаются в газ при нормальном давлении, и конструирование из них того, что мы хотим. Чтобы сконструировать свойства материалов, нужно сконструировать зависимость электронов от скорости — это называется энергетический спектр. Это сложная зависимость. Нужно сконструировать структуру атомной решетки, спектр колебаний атомов в решетке, энергетический спектр электронов и создать благоприятные условия для взаимодействия между электронами. Тогда можно без давления в оптимизированных условиях создать новые сверхпроводники с высокими критическими температурами. И здесь эта установка играет колоссальную роль.
— Как раз хотела спросить про установку у вас за спиной. Что это такое?
— Установка служит для того, чтобы измерять энергетический спектр электронов, то есть зависимость энергии электронов от их импульса (для простоты — скорости). Процесс создания новых материалов протекает так: вначале теоретики, квантовые химики рассчитывают материал, определяют, какой должен быть химический состав, какая должна быть кристаллическая структура, определяют стабильность состава, потом подключаются теоретики, которые умеют рассчитывать спектр. Это сложные численные методы, когда суперкомпьютеры работают месяцами, чтобы рассчитать спектр материала.
Потом начинают работать наши сотрудники — химфизики, они продумывают, как синтезировать этот материал, из каких прекурсоров и при каких условиях. Далее материал синтезируют в печах, в герметичных запаянных ампулах, исследуют кристаллическую структуру, фазовый, элементный состав получившегося материала. Если все в порядке и получился задуманный продукт, они приносят его сюда, и вот здесь мы проверяем, получился ли тот спектр, который мы ожидали, или нет. Если надо что-то подправить, то материал снова отправляется к химфизикам и они что-то контролируемым образом изменяют. Вот так мы создаем материалы с наперед заданным спектром.
А спектр — это то, что определяет электронные свойства: будет ли материал проводником, сверхпроводником или квантовым материалом. Все это определяется спектром. Установка за моей спиной служит для исследования спектра электронов. В ее основе лежит очень простой эффект, он восходит к фотоэффекту, который обнаружили Александр Григорьевич Столетов и Генрих Герц, а объяснил его Альберт Эйнштейн, получив за это Нобелевскую премию. А уже 70 лет спустя Кай Сигбан коммерциализировал его в виде «установки для измерения фотоэмиссии электронов с угловым разрешением» (сокр. ARPES), став в 1981 г. нобелевским лауреатом. В таком виде этот инструмент сейчас крайне полезен и востребован.
— Насколько эта установка уникальна?
— К сожалению, в России всего пять-шесть таких установок, в Америке их несколько сотен, в Китае тоже. Это необходимые установки для материаловедов, для проверки электронных свойств материалов.
— А можно ли такую установку сделать самим?
— Пока такие установки в России не делают. Физики и инженеры в России умеют все, но научное оборудование в удобном для эксплуатации виде перестали производить лет 30 назад по понятным причинам. Я думаю, что это положение постепенно исправляется.
— А есть что-то, что вы модифицировали?
— В этой установке мы используем готовые решения, разработанные ведущими европейскими фирмами. Мы приносим материалы и работаем, это главное. Но поскольку любая техника ломается, у нас возникает проблема ремонта, замены и т.д. Это функция молодежи, которая здесь работает. И они с этим прекрасно справляются. Безусловно, мы думаем о модернизации установки, улучшении ее параметров.
— Как известно, сверхпроводники — это материалы, у которых нулевое сопротивление. Раньше считалось, что такое невозможно. Но сейчас мы знаем, что они получены и становятся все более доступными, как вы рассказали. А возможно ли создать материал с отрицательным сопротивлением? Насколько я понимаю, это будет «вечный двигатель»?
— Отрицательное сопротивление — это нонсенс.
— Но когда-то и нулевое было нонсенсом.
— Нет, нулевое не было нонсенсом. Оно было открыто в начале ХХ в. Другое дело, что оно было открыто случайным поиском, его никто не предсказывал. Наоборот, предсказывали совершенно другое поведение проводимости при понижении температуры. При температуре, стремящейся к нулю. И в процессе проверки этого неверного предположения была случайно обнаружена сверхпроводимость.
— Как очень часто бывает в науке. А с отрицательным, вы думаете, никогда не получится? Или в науке нельзя говорить «никогда»?
— Отрицательного сопротивления на постоянном токе не бывает. Другое дело, что вы можете на переменном токе, на высоких частотах сконструировать индуктивность — в ней же напряжение возникает со сдвигом по фазе к току, так что понятие сопротивления становится сложным. Если вы вспомните математику, то есть действительные и мнимые части напряжения, они сдвинуты по фазе. На переменном токе все возможно, на постоянном — нет. Есть соответствующая теорема. В конце концов ее можно свести ко второму началу термодинамики. Так что пока вечным двигателем я не советую заниматься. Хватает других важных научных задач.