29 березня не стало відомого фізика, лауреата Нобелівської премії Олексія Олексійовича Абрикосова. Будучи учнем Льва Ландау, він багато в чому повторив його долю - в 19 років здав знаменитий «теоретичний мінімум» своєму майбутньому наставнику, в 20 років закінчив Фізичний факультет МДУ (в 19 років навчання закінчив Ландау), у віці 27 років вже захистив докторську дисертацію, а через дев'ять років став членом-кореспондентом РАН. Примітно, що одна з перших робіт вченого про надпровідників другого роду, яка згодом принесла йому Нобелівську премію, була опублікована в 1952 році, всього через рік після захисту кандидатської дисертації. Незважаючи на те, що Олексій Олексійович зробив значний внесок у багато розділів теоретичної фізики, надпровідність, як він сам говорив, «залишалася моєю улюбленою областю».
«За піонерський внесок у теорію надпровідників і надплинних рідин», - з таким формулюванням Нобелівський комітет у 2003 році присудив премію з фізики Олексію Абрикосову, Віталію Гінзбургу і Ентоні Леггету. Спробуємо розібратися, за що саме був удостоєний нагороди Олексій Олексійович, що таке надпровідники, який піонерський внесок був зроблений і чому він виявився так важливий для сучасної фізики, і не тільки фізики.
Надпровідники - це матеріали, які володіють строго нульовим опором нижче деякої критичної температури. Відкриті вони були більше ста років тому, в 1911 році, голландським фізиком і хіміком Хейке Камерлінг-Оннесом. Завдяки цьому відкриттю він став першим ученим (з уже більш ніж десяти осіб), якому явище надпровідності принесло Нобелівську премію.
Спочатку здавалося, що загадка цього явища буде вирішена за порівняно короткий термін. Кажуть, що відомий фізик-теоретик Вольфганг Паулі (до речі, теж нобелівський лауреат) якось у розмові доручив зайнятися створенням теорії надпровідності одному зі своїх талановитих помічників. Той не впорався, і Паулі вирішив, що його помічник просто недостатньо старателений. Однак надпровідність і донині залишається одним з найбільш «міцних горішків» сучасної фізики, так що єдиної теорії цього явища не існує досі.
Перший теоретичний опис надпровідності було дано братами Фріцом і Хайнцем Лондонами в 1935 році. Так зване «рівняння Лондонів» стало першим на той момент поясненням ефекту Мейснера-Оксенфельда - нерозривно пов'язаного з нульовим опором явища сильного діамагнетизму (або виштовхування магнітного поля з обсягу зразка) в надпровідних матеріалах. Це явище досить часто використовують як наочну ілюстрацію надпровідності. Левитуючі потяги на магнітній подушці, ховерборди або навіть літаючі над магнітом камені з фантастичного матеріалу анобтаніуму у фільмі «Аватар» - все це прояви ефекту Мейснера.
Наступним «шматочком мозаїки» стала теорія радянських фізиків Віталія Гінзбурга і Льва Ландау. Завдяки цій роботі явище надпровідності стало можливо описувати кількісно. Однак теорія не давала конкретних відповідей про механізми, або причини, які призводять до виникнення нульового опору в деяких матеріалах. Тим не менш, теорія Гінзбурга-Ландау чудово узгоджувалася з експериментальними даними щодо всіх відкритих на той момент надпровідників. Але практично відразу після її публікації з'явилися дані про новий тип надпровідних тонких плівок, які реагували на магнітне поле інакше, ніж передбачала ця теорія.
Саме ця наукова проблема і зацікавила учня Льва Ландау - Олексія Олексійовича Абрикосова. Він не міг повірити, що теорія його вчителя невірна, адже «вона була настільки красива і так добре описувала попередні результати!» Разом зі своїм другом Миколою Володимировичем Заварицьким Абрикосов спробував знайти рішення проблеми в рамках теорії Гінзбурга-Ландау. І знайшов.
Виявилося, що вся справа в одній константі, так званому параметрі Гінзбурга-Ландау. Оскільки для всіх раніше відкритих надпровідників ця величина була дуже маленькою, в теорії інші її можливі значення не розглядалися. Абрикосів вирішив подивитися, що буде, якщо цей параметр буде більшим, ніж 1/^ 2 (така конкретна величина є «прикордонною» в теорії Гінзбурга-Ландау). Виявилося, що цей випадок дозволяє передбачити існування надпровідників з «екзотичною» поведінкою - порівняно з раніше вивченими матеріалами. Абрикосів і Заварицький назвали їх «надпровідниками другої групи», а зараз вони відомі як надпровідники другого роду.
"Цікаво відзначити, що практично всі нові надпровідні з'єднання, відкриті з початку 60-х років до теперішнього часу, є надпровідниками другого роду. У цей список входять органічні надпровідники, з'єднання зі структурою А-15, фази Шевреля, з'єднання з важкими ферміонами, фуллерени і високотемпеолог ні надпровідники. Можна сказати, що тепер екзотичними є надпровідники першого роду ". (Нобелівська лекція О.О. Абрикосова, Стокгольм, 8 грудня 2003 року, опублікована в журналі «Успіхи фізичних наук»)
Але ця робота Абрикосова стала лише першою в низці публікацій, присвячених надпровідникам другого роду. Причому далеко не найвідомішою. Пролежавши чотири роки «під забороною» Ландау, в 1957 році нарешті вийшла знаменита стаття Олексія Абрикосова «Про магнітні властивості надпровідників другої групи», в якій передбачалося існування «абрикосовських вихорів». Так тепер називають явище часткового проникнення магнітного поля в надпровідник, яке при цьому не призводить до повного руйнування надпровідності.
У надпровідники першого роду магнітне поле або не проникає зовсім, або, при досягненні якогось критичного значення, воно повністю руйнує надпровідність, і в матеріалі з'являється кінцевий ненульовий опір. Виявилося, що так відбувається не завжди. У надпровідники другого роду магнітне поле (вище першого критичного значення) все-таки може проникати. При цьому обсяг матеріалу виявляється «пронизаний» окремими одиничними квантами магнітного потоку, кожен з яких екранується від решти зразка круговими надпровідними струмами. Такі утворення і називаються вихорами Абрикосова. Якщо продовжувати збільшувати магнітне поле, кількість вихорів теж буде збільшуватися. У якийсь момент їхня щільність досягне максимально можливої величини (при магнітному полі, званому верхнім критичним) і весь зразок перейде в нормальний (несверхпровідний) стан.
На момент публікації статті ніяких експериментальних доказів існування магнітних вихорів у надпровідниках другого роду не було, тому її не сприйняли всерйоз. Про роботу Абрикосова згадали вже в 1960-х. Вперше знімок решітки абрикосовських вихорів був зроблений в 1967 році фізиками з Інституту Макса Планка в Штутгарті, Німеччина. Зараз подивитися експериментальні знімки вихорих решіток, що спостерігаються в різних матеріалах з моменту їх першого виявлення, можна в Галереї вихорів Абрикосова на сайті Лабораторії надпровідників Університету Осло.
Чому відкриття надпровідників другого роду виявилося таким важливим для фізики? Справа в тому, що «несумісність» надпровідників першого роду з магнітним полем дуже сильно обмежує можливість їх застосування. Критичне поле, вище якого надпровідність руйнується, як правило, виявляється занадто маленьким. Для матеріалів другого роду обмежуючим є верхнє критичне поле, яке в багато разів (іноді в тисячі разів) більше. Саме з надпровідників другого роду роблять надсильні магніти для Великого адронного колайдера, магнітно-резонансної томографії, установок з утримання плазми, наприклад, в реакторі ІТЕР, і багато чого іншого.
Вже після виходу основних робіт Ландау, Гінзбурга і Абрикосова було знайдено перше пояснення механізму виникнення надпровідності - нобелівська теорія Бардіна-Купера-Шріффера. Однак її спіткала та ж доля, що і теорію Гінзбурга-Ландау: незабаром були відкриті матеріали, властивості яких теорія БКШ виявилася не в змозі передбачити, - високотемппочесні надпровідники. Роботу Гінзбурга-Ландау «врятував» Абрикосов. І, мабуть, теорія БКШ теж виявилася досить красивою, тому що Олексій Олексійович спробував «врятувати» і її. Працюючи в Аргоннській національній лабораторії в США, він створив власну версію теорії високотемпceної надпровідності, засновану на теорії БКШ. Однак у науковому співтоваристві її не прийняли (або не помітили). А пошуки нових механізмів і нових теорій цього унікального явища тривають і донині.
«В результаті, я можу стверджувати, що так званої» загадки «високотемпceної надпровідності не існує». (Нобелівська лекція О.О. Абрикосова, Стокгольм, 8 грудня 2003 року, опублікована в журналі «Успіхи фізичних наук»)