В России уже почти столетие функционирует Институт физических проблем РАН, основанный известным ученым-физиком Петром Леонидовичем Капицей и названный впоследствии его именем. Именно здесь великие ученые, будущие Нобелевские лауреаты П.Л. Капица, Л.Д. Ландау и А.А. Абрикосов впервые исследовали такие явления, как сверхтекучесть и сверхпроводимость. Сегодня в ИФП РАН продолжаются эксперименты в области низких температур: физики исследуют квантовые жидкости и кристаллы, работают со сверхпроводимостью и низкотемпературным магнетизмом, изучают взаимодействие высокочастотного электромагнитного излучения с конденсированными средами. Подробнее об этой работе нам рассказал заместитель директора института Алексей Маркович Трояновский.
Алексей Маркович Трояновский – кандидат физико-математических наук, занимающий должность заместителя директора Института физических проблем им. П.Л. Капицы (ИФП) РАН по научной работе. Он также является доцентом базовой кафедры физики низких температур этого же института, расположенной в Национальном исследовательском университете «Высшая школа экономики». Научные интересы А.М. Трояновского охватывают такие области, как физика низких температур, системы с малым размером, наноструктуры и сверхпроводимость.
― Какие процессы становятся доступными для исследования при низких температурах?
― При пониженных температурах проявляются эффекты, которые незаметны при стандартных условиях. Температура, подобно туману, скрывает многие физические явления, словно маскирует их, и при достижении определенного значения они полностью исчезают. Это относится, к примеру, к таким базовым явлениям, как сверхтекучесть и сверхпроводимость.
― Они чем-то похожи друг на друга?
― Фактически, эти понятия очень близки. Теоретическое обоснование впервые было дано Львом Давидовичем Ландау, когда он работал в нашем институте.
В сверхтекучем жидком гелии речь идет об атомах гелия, а в сверхпроводимости – об электронах проводимости. Согласно теории Л.Д. Ландау, сверхтекучий жидкий гелий демонстрирует свойства квантовой жидкости. Данное состояние возможен только при температуре, не превышающей 2,17 К. Сверхпроводимость же наблюдается при более высоких температурах, однако оба этих явления имеют общую основу.
― В сфере сверхпроводимости одной из задач является достижение условий, близких к комнатной температуре.
― Да, к этому уже есть определенные успехи, однако пока это достигается лишь при очень высоких давлениях. Новые типы сверхпроводников, такие как соединения гидрида иттрия, демонстрируют температуру перехода до 320 К, что превышает комнатную, но требует колоссального давления, составляющего около 2,5 млн атм. В настоящее время их практическое применение не представляется возможным.
― Как можно наглядно представить себе сверхтекучесть гелия?
― Представим, что у вас есть емкость с жидким гелием, находящимся в сверхтекучем состоянии. Если поместить в него небольшую чашу, а затем слегка приподнять над поверхностью гелия, то жидкость вытечет из чаши по стенкам обратно в сосуд. Попробуйте повторить этот опыт с водой: жидкость останется в чашечке.
― Какую пользу это может принести на практике?
― Жидкий гелий представляет научный интерес. Хейке Камерлинг-Оннес (1853–1926), оказавший значительное влияние на изучение этого вещества, первым обратил внимание на то, что при температуре 2,17 К жидкий гелий претерпевает существенные изменения в своих характеристиках. Помимо этого, гелий стал инструментом для исследования других явлений. В частности, благодаря ему Хейке Камерлинг-Оннес впервые изучил поведение металлов при низких температурах и открыл явление сверхпроводимости. До определенного момента этот ученый, живший в Голландии, фактически был единственным специалистом в области работы с жидким гелием, пока Петр Леонидович Капица в начале 1930-х годов не создал ожижитель гелия, отличавшийся оригинальной конструкцией. По возвращении П.Л. Капица (который, кстати, и основал наш институт) из Англии в СССР, он пришел к выводу, что необходимо создание отечественного криогенного оборудования. Петр Леонидович продолжил свои эксперименты с жидким гелием, начатые в его знаменитой Мондовской лаборатории, ему посчастливилось транспортировать ее сюда из Англии.
В рамках одного из важнейших исследований он разработал инновационный метод сжижения воздуха, основанный на использовании турбодетандера – механического устройства, представляющего собой турбину. Эта турбина преобразует внутреннюю энергию газа в механическую, обеспечивая тем самым его охлаждение. Первая подобная турбина, созданная лично П.Л. Капицей, в настоящее время находится в хранилище нашего института.
― В вашем институте также имеется и более современное оборудование, которое не имеет аналогов в России.
― Верно. В Институте физико-химической биологии и проблем биомедицинских исследований РАН функционирует специализированная криогенная установка, разработанная и созданная нашими специалистами еще в 1990-х годах. Она позволяет охлаждать большие образцы до температур, опускающихся ниже 1 милликельвина. Подобные установки существуют во всем мире около двадцати, и в России имеется только одна, которая признана самым холодным местом в стране!
― Даже холоднее, чем в космосе.
― Всё зависит от того, о температуре какого конкретно объекта и какой области космоса идёт речь. Космос – явление крайне загадочное, мы не располагаем точными сведениями о том, какие температуры и условия могут встречаться в его различных частях. Например, предполагается, что на Уране и спутниках Юпитера можно обнаружить нечто особенное: металлический водород! Это вещество, имеющее теоретическое обоснование, но пока остающееся недостижимым, которое ученые стремятся создать в лабораторных условиях.
― Интересно!
― Да. Водород имеет один свободный электрон, точно так же как металлы литий, калий или, например, натрий. Так почему бы и водороду не быть металлом при определенных условиях? Но в лаборатории синтезировать его пока не удается. Его получение было бы, конечно, очень полезным. Тогда водород можно было бы не хранить в баллонах при сумасшедших давлениях, как делают сейчас, а просто взять кусочек металла, который может быть источником энергии, и использовать как аккумулятор энергии во многих областях.
― Позвольте вернуться к вашей криогенной установке. Какие результаты были получены благодаря ее использованию?
― Одним из важнейших достижений последних лет стало открытие новой сверхтекучей фазы изотопа гелия-3. Исследование возглавил академик В.В. Дмитриев, и оно проводилось при рекордно низких температурах – менее 1 мК. До этого момента предполагалось существование лишь двух таких фаз у гелия-3, однако в нашем институте была идентифицирована третья – полярная фаза. Эта фаза демонстрирует повышенную эффективность при добавлении анизотропных примесей. Также была открыта спиновая сверхтекучесть в гелии-3. Эти сложные для обывателя явления способствуют более глубокому пониманию окружающего нас мира. Следует подчеркнуть, что механизм сверхтекучести гелия-3 отличается от сверхтекучести изотопа гелия-4. Это различие связано с тем, что атомы гелия-4 являются бозонами, а гелия-3 – фермионами, что представляет собой принципиальное отличие с точки зрения квантовой физики. В данном случае атомы гелия-3 аналогичны электронам, и, соответственно, механизм сверхтекучести в гелии-3 сопоставим со сверхпроводимостью.
― Действительно ли в настоящее время в нашей стране ведется развитие отечественного производства криогенного оборудования, или же число таких установок существенно не изменилось с советских времен?
― Меня радует, что интерес к созданию криогенного оборудования (область, в которой работал Петр Леонидович Капица) вновь растет. В 1990-х годах была распространена точка зрения, что все необходимое можно приобретать за границей, включая технику и специалистов, однако сейчас стало очевидно, что это неверный подход и что требуется развивать собственное производство и поддерживать отечественных ученых.
По запросу коллег из Сколтеха нами был разработан портативный криостат с минимальной температурой 0,35 К (использующий автономный охладитель) для исследования квантовых систем, а также криостат, основанный на принципе растворения. Кроме того, мы взаимодействуем с учеными Специальной астрофизической обсерватории РАН, расположенной в Зеленчукском районе Карачаево-Черкесской Республики. В этой обсерватории функционирует крупнейший в России оптический телескоп с рефлекторным зеркалом диаметром 6 м (Большой телескоп азимутальный, БТА). Созданный нами криостат позволит понизить температуру детекторов телескопа примерно до 0,1 К, что обеспечит их высокую чувствительность к микроволновым сигналам, поступающим из космоса. Следовательно, мы принимаем участие в проекте по наблюдению космических лучей в субмиллиметровом диапазоне.
― Мы обсудили явление сверхтекучести. Позвольте завершить наш разговор, рассказав о сверхпроводимости, с которой мы начали его?
― Сверхпроводники демонстрируют немало уникальных явлений. К примеру, магнитные характеристики сверхпроводников находят активное применение в медицине. Классические сверхпроводники полностью изгоняют магнитное поле, и электрический ток движется исключительно по их поверхности. Однако еще в конце 1950-х годов Л.Д. Ландау поставил перед своим аспирантом А.А. Абрикосовым (будущим нобелевским лауреатом) задачу теоретического исследования того, как магнитное поле проникает в сверхпроводники второго рода. Ему удалось установить, что это проникновение осуществляется посредством вихрей, которые впоследствии получили название «вихри Абрикосова». Именно эти вихри ограничивают допустимую величину тока в сверхпроводниках, что находит прямое практическое применение в соленоидах (сверхпроводящих электромагнитах). Проходя процедуру МРТ, многие не задумываются о том, что это за «бублик» такой и как там создается магнитное поле. Так вот, внутри МРТ-трубы, куда помещают пациента, расположен соленоид, генерирующий магнитное поле при прохождении электрического тока через катушку. Этот электромагнит функционирует при крайне низкой температуре – около 4 К – благодаря использованию жидкого гелия и специального охладительного оборудования. Такие сверхпроводящие магниты сегодня используются в 90% томографов. Это лишь одно из немногих примеров практического применения физики низких температур.