ПРОТИВОРЕЧИЯ ТОЛКАЮТ
ФИЗИКУ ВПЕРЕД
В апрельском номере ведущего научного журнала «Nature» опубликована статья «Superinsulator and quantum synchronization» — «Сверхизолятор и квантовая синхронизация».
Галина Шпак, «НВС»
Ее авторы: Валерий Винокур (Аргоннская национальная лаборатория, США), Татьяна Батурина (Институт физики полупроводников, Новосибирск), Михаил Фистуль (Рурский университет, Бохум, Германия), Алексей Миронов (Институт физики полупроводников, Новосибирск), Михаил Бакланов (Межуниверситетский центр микроэлектроники, Лювен, Бельгия), Кристоф Штрунк (Университет Регенсбурга, Германия).
 |
В лаборатории Термостатированного корпуса Алексей Миронов, Валерий Винокур и Татьяна Батурина обсуждают новые данные непосредственно во время эксперимента.
|
Открытие сверхизоляции явилось результатом долгого и кропотливого исследования, которое многим казалось совершенно бесперспективным. И в то же время, как, наверное, и всякое открытие, оно произошло вследствие стечения счастливых обстоятельств. Татьяна Батурина работала с тонкими пленками нитрида титана (TiN) вблизи точки перехода сверхпроводник-изолятор. Речь идет об известном около двадцати лет явлении, когда при уменьшении толщины пленки до наноразмеров 10-100 ангстрем некоторые материалы перестают быть сверхпроводниками и становятся изоляторами. Во время исследования этих изоляторов при ультранизких температурах Батуриной удалось обнаружить неожиданный эффект: оказалось, что при понижении температуры ниже некоторой критической отметки сопротивление пленки скачком увеличивается почти в миллион раз. В этот момент пленка практически перестает проводить электрический ток. Осознание того, что этот скачок есть переход в новое особое состояние вещества, и составило сущность открытия явления сверхизоляции.
Публикация буквально взбудоражила науку, во всяком случае, исследователей, занимающихся физикой конденсированного состояния вещества. «Белый шум» с нарастанием децибелов, исходящий со всех сторон света, не прекращается! Только в майские дни в Интернете уже накопилось более двух тысяч высказываний различного толка по поводу нового физического явления. Противоречивые мнения еще раз подтверждают известный тезис: противоречия толкают физику вперед!
Явление сверхпроводимости известно уже почти сто лет, однако до сих пор оно считается одним из самых поражающих воображение «фокусов» природы. Ток, который способен существовать бесконечно долго без внешних источников, казалось бы, противоречит здравому смыслу. Тем не менее, фантастическая сверхпроводимость существует и имеет свое научное объяснение, а прорывные работы в этой области неоднократно приносили их авторам Нобелевские премии. Начиная с первооткрывателя сверхпроводимости голландского физика Х. Камерлинга-Оннеса (открытие — 1911 г., Нобелевская премия — 1913 г.), никто не предполагал, что, оказывается, у сверхпроводимости существует свой «антипод» — сверхизоляция. Это не менее уникальное фантастичное явление и обнаружили Татьяна Батурина, старший научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН и Валерий Винокур, директор Института теоретического материаловедения Аргоннской национальной лаборатории (США).
Согласно объяснению авторов исследования, к образованию таких сверхизоляторов, как ни удивительно, приводят почти те же физические эффекты, которые работают в классических сверхпроводниках.
Нельзя не отметить, что работу международной научной группы и статью в журнале «Nature» представляет независимый эксперт итальянский физик Росарио Фацио, который сам плотно занимается проблемой сверхпроводимости. Интересно и то, что вся команда русскоговорящая, за исключением К. Штрунка из университета Регенсбурга, где проводились основные эксперименты. Физики нашли друг друга на международных конференциях. И, кстати, М. Бакланов когда-то работал в ИФП СО РАН. В трудные для науки девяностые годы многие уезжали на Запад. Хорошо, что встретились вновь!
Неожиданное лучше ожидаемого
В институте готовились к ремонту вестибюля Термостатированного корпуса, и группу физиков лаборатории Д. Квона перебазировали в другое помещение. Когда-то вестибюль перегородили, уменьшили его кубатуру в пользу производственных площадей. Физики привыкли работать в отсеке за стеклом. Там все-таки было попросторней. В новой небольшой комнате для единственной женщины выгородили отдельный кабинет 2×2 метра из стеллажей, до потолка забитых физическими журналами. Так мы и познакомились — в отсеке. Замечу в скобках, что адрес мне дал заместитель директора ИФП А. Латышев, недавно избранный членом-корреспондентом РАН: «О куперовском сверхизоляторе шумит весь мир!»
Апрельский номер «Nature» был еще тепленьким. Татьяна получила авторский экземпляр из Англии по почте через две недели по выходу в свет. Так совпало, что в апреле в Академгородке побывал физик-теоретик Валерий Винокур. Он проводил в институте семинар для всех интересующихся физикой конденсированного состояния и непосредственно знакомил научных работников с результатами исследований международной группы. Сожалею, что узнала об этом уже постфактум. Можно было бы не распространяться, не детализировать, но одним достаточно научной статьи с математическими выкладками, а другим интересна история решения задачи и даже «слезы» науки в прямом и переносном смысле. Живую науку делают живые люди, но почему-то не принято говорить открыто о драме идей и людей в науке. «Пришел, увидел, победил»? Аспиранту Алексею Миронову повезло больше, чем его научному руководителю Т. Батуриной в подобных обстоятельствах. А. Миронов надеется защититься осенью этого года. Тема его диссертации — «Квантовый транспорт в тонких пленках TiN и наноструктурах на их основе». А для Батуриной аспирантура закончилась неудачно — хотя «кирпич» диссертации она сделала, но без научного руководителя, который уехал, работа не защищается. В 1998 году после аспирантуры Татьяну Батурину приняли в лабораторию физики и технологии структур на основе полупроводников A3B5. Руководитель лаборатории доктор физико-математических наук Д. Квон коротко сказал новому научному сотруднику: «Будете заниматься сверхпроводимостью».
В лаборатории, да и в институте в те годы никто специально не занимался сверхпроводимостью, неотъемлемой частью физики конденсированного состояния. На первых порах Т. Батуриной предстояло самостоятельно разбираться с температурной зависимостью сверхпроводящей щели. Такая вот замысловатая задача, которая в каком-то смысле встраивалась в хоздоговор лаборатории Д. Квона и подразделения Института физики твердого тела РАН в Черноголовке. Таким образом Татьяна попала в научный круг Всеволода Феликсовича Гантмахера, известного к тому же главного редактора лучшего российского физического журнала «Письма в ЖЭТФ».
Она довольно часто бывала в длительных командировках — работала в Магнитном корпусе Института твердого тела. Выяснилось, что никто не занимался детальными исследованиями двумерных решеток СМС-переходов — сверхпроводник-металл-сверхпроводник. Тщательная экспериментальная работа Батуриной довольно быстро завершилась диссертацией «Квантовый транспорт в тонких сверхпроводящих пленках силицида платины и мезоскопических гибридных системах на их основе». Текст диссертации вычитывал сам В. Гантмахер, который проводил в ИФП семинар. И научный руководитель этой работы Д. Квон не ошибся в своем выборе. Защитилась Батурина в том же Институте физики твердого тела в Черноголовке.
Когда я спросила, каким образом все-таки было зафиксировано явление сверхизоляции при квантовой синхронизации, Татьяна привела меня в лабораторную комнату, где проводились и проводятся эксперименты.
— Здесь находится самая холодная точка за Уралом, как я говорю школьникам на экскурсиях. Мы работаем с температурами вблизи абсолютного нуля.
 |
Под этой крышкой криостата растворения в Институте физики полупроводников и находится самая холодная точка за Уралом.
|
Самая холодная «точка» находится, разумеется, в установке, занимающей центральную часть помещения. А на переднем плане — стол с немудрящим компьютером и еще одно рабочее место в углу. Мимоходом я узнала, что систему автоматизировала Татьяна вместе со своими студентами НГУ. Более всего меня поразил погреб, как в крестьянской избе, где хранится «фляга» с жидким гелием. Его температура 4,2 градуса Кельвина.
— Теперь смотрите, как устроен двухэтажный криостат растворимости (мы спускались на первый этаж). В машине — глубокий вакуум. Она работает на квантовых принципах — используются квантовые свойства смеси гелия-3 и гелия-4. В самой машине достигается температура 5 милликельвинов — в сто тысяч раз ниже комнатной температуры. Если интересно, в ней есть азотная «рубашка», затем гелиевая ванна, а внутри — так называемые ячейки растворения. И еще в машине есть сверхпроводящий магнит. Основной измерительный прибор — синхронный нановольтметр — единственный в нашей лаборатории. Подобного класса установки работают в Черноголовке и в Москве в Институте физических проблем РАН. Выпускает уникальное оборудование английская фирма в Оксфорде.
Страшного грохота насосов я не услышала: машину в дни переезда отключили, но Татьяна показала, где стоит человек и крутит вентиль: «Когда машина работает, идет эксперимент в режиме нон-стоп, мы месяцами крутимся».
Татьяна показала мне образец в маленькой коробочке — полоску пленки нитрида титана толщиной 5 нанометров на кремниевой подложке. Для изготовления такого образца используется вся мощь полупроводниковой технологии.
— Тем не менее, объект исследования — это все-таки металлические пленки.
— В чем же суть предмета?
— Если позиционировать тему, которой я занимаюсь, — переход сверхпроводник-изолятор, сама тема очень и очень дискуссионна. Возникла задача лет двадцать назад. Известно, что явление сверхпроводимости успешно объяснилось только в 1957 году. Так вот, современная теория сверхпроводимости — БКШ-теория (Бардин, Купер, Шиффер — лауреаты Нобелевской премии 1972 г.), по сути дела, сводится к тому, что электроны объединяются в некие пары с другой сущностью, если так можно выразиться, по сравнению с одиночным электроном. Эти пары называют «куперовскими». Они могут «дружно» собраться в монолитный «коллектив». И если через систему пропустить ток, то электричество протекает без потерь, т.е. сопротивление равно нулю. Это и есть сверхпроводимость. До того, как мы заговорили о сверхизоляторе, исследователи делили вещества на три класса: сверхпроводники, металлы и изоляторы, соответственно их электрическим свойствам при абсолютном нуле температуры. Известно, что полупроводник — это типичный изолятор, и при абсолютном нуле его сопротивление бесконечно. А для металла в схожих условиях сопротивление остается конечным. У сверхпроводников сопротивление равно нулю. Но в том то и дело, что нулю оно становится равным не при абсолютном нуле температуры, а при некоторой критической температуре. Отличие сверхизолятора от обычного изолятора как раз в этом и состоит.
Если взять сверхпроводник и делать из него очень тонкие пленки, срезая монослой за монослоем, то температура сверхпроводящего перехода понижается. Как действительно происходит переход и почему понижается температура — вопрос еще дискуссионный. Это один из фундаментальных вопросов, хотя есть подходы, которые описывают некоторую часть экспериментов на определенных материалах. Сейчас люди бьются над самым интересным и сложным вопросом физики конденсированного состояния: как описать неупорядоченные системы с сильным электрон-электронным взаимодействием. Мы уже давно умеем описывать системы с упорядоченным расположением атомов — это было сделано еще в тридцатых годах прошлого века квантовой механикой. И ответ известен — в зависимости от числа электронов на атом возникает либо металл, либо изолятор. А вот если атомы расположены беспорядочно, то описание такой системы грандиозно усложняется. А если еще учесть и электрон-электронное взаимодействие, то задача становится практически неподъемной.
Мы пытаемся сформулировать концепцию состояния системы по отношению к проводимости при абсолютном нуле температуры, а все эксперименты проводятся при некой конечной температуре. Но интрига в том, что, чем дальше мы продвигаемся в область низких температур, тем больше и больше «чудес» и «фокусов» наблюдаем.
Начиная с 1908 года, когда Камерлинг-Оннес сделал жидкий гелий, а затем в 1911 году обнаружил, что при температуре 4,2 Кельвина сопротивление ртути внезапно снизилось в миллионы раз и практически исчезло, странные неожиданности сверхпроводимости продолжаются. При приближении к абсолютному нулю квантовая механика раскрывается во всей своей красоте, на макроскопических масштабах. Поведение системы диктуется исключительно квантовой механикой. Это вовсе не известная «задача о бильярде», когда сталкиваются электроны-«шарики». Вблизи абсолютного нуля электроны проявляют волновые свойства и взаимодействуют друг с другом. Знаете, чем «волны» отличаются от «шариков»? Один шарик плюс другой шарик будет два, а складывая волны, вы будете получать от нуля до двух. Один плюс один равно двум — уже не работает. Кто об этом догадался? Следует, наверное, приписать открытие Луи де Бройлю, Нобелевскому лауреату. Смелый человек! Любопытно, что он по образованию гуманитарий. У него, правда, старший брат был физиком. Словом, мы столкнулись с трудной задачей.
В проблеме перехода сверхпроводник-изолятор замешено всё — и квантовая механика, и беспорядок, и электрон-электронное взаимодействие.
Татьяна показала мне картинку-график, увеличенную на экране, на которой показано, как сопротивление «выстреливает» вверх. Именно эта картинка взбудоражила физиков.
— Смотрите! Зафиксирован самый острый переход сверхпроводник-сверхизолятор, который измерен. Поймите красоту этого явления.
— Постараюсь.
— Либо сопротивление уходит в нуль, либо — в бесконечность. Диаметрально противоположные вещи, а ведь при комнатной температуре сопротивление этих пленок отличается лишь на 2,5 процента. И вот теперь самый-самый «фокус»: эти пленки «выстреливают» вверх только потому, что в них «живет» сверхпроводимость. Раньше думали, что единственным эффектом куперовского спаривания будет возникновение нулевого сопротивления. Но эти же куперовские пары, как оказалось, ответственны за то, что сопротивление уходит в бесконечность при конечной температуре!
Серьезная вещь в исследованиях — качество эксперимента, документальное и всестороннее описание наблюдаемого эффекта и способность объяснить новое физическое явление.
Experimentum crucis
Основные эксперименты проводились в Регенсбурге по простой причине: институтский криостат ограничен в своих технических возможностях. Т. Батурина работала со своим аспирантом А. Мироновым. Работа «закрутилась» с большим ускорением в январе-феврале прошлого года. В то время Алексей находился в Регенсбурге в лаборатории Кристофа Штрунка, а Татьяна на своем рабочем месте в термостате. Необходимо было очень и очень аккуратно пройти весь переход сверхпроводник-изолятор. Общались по скайпу. В один прекрасный момент образец оказался на диэлектрической стороне перехода. И тут произошло нечто интересное, как рассказывали экспериментаторы. Татьяна кричала: «Алексей, Алексей, срочно нужно измерять вольт-амперные характеристики!»
На той стороне физик Штрунк спокойно утверждал, что, кроме перегрева, ничего не увидим. Алексей не соглашался и произнес сакраментальную фразу, что он будет выполнять задачу, поставленную научным руководителем. «Ну, измеряйте», — последовал ответ. Файлы тут же отправлялись, результаты обсуждались по горячим следам. Вплоть до того, что Алексей поставил кривую на запись, а сам побежал в отель, схватил свои вещи, вернулся в лабораторию, зафиксировал показания, сложил файлы и бегом на вокзал, чтобы успеть на поезд, а потом — на самолет, домой, в Новосибирск.
...И вот образец оказался на диэлектрической стороне перехода. И в его критической области обнаружили это, по выражению Батуриной, совершенно замечательное состояние вещества. И тут начались приключения разума.
— Другими словами, величина, которая обратно пропорциональна сопротивлению — проводимость — обращается в нуль. И самое замечательное, что это состояние возникает благодаря тому же эффекту куперовского спаривания, за счет которого возникает сверхпроводящее состояние, — повторила Батурина.
— Вроде того: «А вы когда-нибудь видали Луну с обратной стороны?!»
— Да! Пока люди не сфотографировали эту обратную сторону и человек не ступил на ее поверхность.
— Получается другая физика?
— Не то, чтобы «другая». Просто не учли, что существует обратная сторона Луны. В нашем случае — обратная сторона сверхпроводимости. Она действительно обратная. Есть такой замечательный принцип, который ввел Нильс Бор — принцип дополнительности, частным случаем которого является принцип неопределенности. Нильс Бор считал, что этот принцип существует не только в физике, он повсеместный. Кстати говоря, когда Нильса Бора однажды спросили, что же противоположно понятию «истина», он ответил: «Ясность». То есть, чем ясней я буду пытаться объяснить вам суть, тем эти слова будут дальше от истины. По сути дела «неожиданное» состояние вещества — просто-напросто выражение принципа дополнительности. Более того, это можно сформулировать математически. Известно, что сверхпроводящее состояние описывается волновой функцией, у которой есть модуль, характеризующий плотность куперовских пар, и фаза. В сверхпроводящем состоянии фаза имеет определенное значение, или, как говорят — фаза фиксирована. По принципу дополнительности фиксированная фаза означает, что количество куперовских пар не определено. По сути, это и приводит к тому, что ток куперовских пар течет без сопротивления. Возможна и обратная ситуация, при которой зафиксировано количество куперовских пар. Тогда неопределенной становится фаза. И это — просто выражение принципа дополнительности. Эту дополнительность обсуждали несколько групп исследователей в начале девяностых годов, которые заметили, что из нее вытекает существование перехода сверхпроводник-изолятор. Одним из них был итальянский физик Росарио Фацио, который, кстати, и предварял нашу статью в «Nature» своей рецензией. Однако кардинальный шаг в то время сделан не был: не было понято, что из принципа дополнительности следует далее, что при самых низких температурах изолятор превращается в действительную противоположность сверхпроводимости — сверхизолятор.
— И что же пишет Фацио, представляя вашу коллективную статью в журнале «Nature»? Каковы его выводы?
Татьяна с листа переводила некоторые положения, высказанные итальянским физиком. Р. Фацио пишет: хотя уже давно было известно, что сверхпроводящие пленки могут превращаться в изоляторы, в данной статье представлено замечательное наблюдение, что состояние с бесконечным сопротивлением возникает уже при конечной температуре. Эксперимент и теория сверхизоляции являются решающим шагом в понимании коллективных свойств низкоразмерных систем. Фацио подчеркивает, что существование сверхизолятора является фундаментальным следствием принципа дополнительности, то есть, что сверхизолятор есть состояние дуальное к сверхпроводимости. Он отмечает, что исследователи вскрыли огромное количество вопросов, требующих дальнейшего изучения, что в данный момент понимание новой фазы опирается на модель сверхпроводника как некой сетки связывающих сверхпроводящих капель, но как образуются эти капли и что управляет их размером и динамическим поведением — это еще вопрос открытый.
Завершая свои соображения, Росарио Фацио пишет, что мы должны быть готовы к неожиданному.
Комментируя высказывания итальянского физика, Т. Батурина сказала, что в статье в «Nature» она и ее соавторы попытались, как говорится, на пальцах объяснить суть нового явления.
— Суть в том, что в критической области перехода сверхпроводник-изолятор пленка полностью захватывает электрическое поле. При этом возникает новый эффект макроскопической кулоновской блокады. В отличие от обычной ситуации, происходит удивительная вещь — чем больше система, тем сильнее кулоновская блокада. И в этом основная интрига нашего эксперимента, этой работы. Теперь нам нужна именно макроскопическая система.
Еще одно слово, которое я хочу произнести, — Татьяна уверенно перевернула страницу журнала. — Это задача — не термодинамическая. Фацио совершенно правильно говорит о динамических свойствах. Эффект макроскопической кулоновской блокады возникает динамическим образом.
Татьяна уточнила, что само понятие «сверхизолятор» было введено авторами работы.
В данном случае уместно вспомнить замечательные слова из Нобелевской лекции Ивара Гиавера: «Чтобы сделать экспериментальное открытие, мало наблюдать какой-то эффект. Нужно также понимать смысл и значение этого наблюдения».
Интервью по скайпу
Пока мы общались, Валерий Винокур несколько раз выходил на связь. Он благополучно приземлился во Франкфурте-на-Майне, на поезде приехал в Кельн, поселился в гостинице и пришел в университет.
— Как-то у вас быстро получается.
— Валерий вообще молниеносный человек и физик! Начинаем, — предупредила Татьяна.
А я, признаться, впервые попала в такую переделку, да еще одни наушники на двоих. На экране возник Винокур. Сидим. Радуемся встрече. Ощущение потрясающее: тут же знакомлюсь, вижу и слышу этого человека. Как не воскликнуть: «Слава богу информационных технологий!» Валерий сначала отшутился, отвечая на вопрос, как он на первых порах оценил работу Батуриной.
— После того, как Таня в двадцать четвертый раз показала мне свои экспериментальные данные, мне показалось, что я понимаю, что там происходит. И мне показалось, что это очень интересно. Затем я понял, что я ничего не понимаю. Потом опять пришло ощущение, что я что-то понимаю. А после всего пришло понимание, что это понимаем только мы...
— И все-таки в чем соль?
— Танины данные показали, что при очень низких температурах ток куперовских пар блокируется каким-то очень мощным механизмом, который исчезает при достаточно высоких температурах. Надо было понять его природу. Первое, что удалось осознать — это причины, по которым эффект кулоновской блокады возникает и почему он оказывается таким необычно сильным. После этого первого прорыва все покатилось быстрее...
— И когда у вас всё сошлось, как говорит Татьяна?
— В Триесте, когда мы сидели и работали бок о бок, анализируя Танины данные и экспериментальные результаты Цви Овадьяху, физика из Иерусалима, с данными которого мы познакомились за месяц до того на конференции в Израиле. Мы вдруг осознали, что имеем дело с коллективной или макроскопической кулоновской блокадой, в которой вся пленка разом действует как единое целое, и что характер кулоновских сил — двумерный. Независимо от расчетов, которыми мы все это подкрепляем, мы понимаем следующее: на переходе сверхпроводник-изолятор пленка захватывает электрическое поле, и это поле из нее не выходит, т.е. пленка представляет собой двумерный мир.
— И к чему же это приводит?
— Вспомним школьную физику: представим электрическое поле в виде силовых линий. В трехмерном мире от заряда линии расходятся во все стороны — и густота линий, характеризующая силу поля, быстро уменьшается при удалении от заряда. В результате, энергия взаимодействия двух зарядов убывает обратно пропорционально расстоянию между зарядами. А если теперь все силовые линии собраны в плоскости, их густота убывает медленнее. И теперь оказывается, что энергия взаимодействия двух зарядов растет с увеличением расстояния между ними.
Эффект кулоновской блокады заключается в том, что если мы на маленький проводящий шарик посадим электрон, то из-за кулоновского отталкивания второй электрон посадить очень трудно. При этом эффект отталкивания в трехмерном мире тем сильнее, чем шарик меньше. В двумерном же мире все наоборот: поскольку энергия взаимодействия зарядов растет с увеличением расстояния между зарядами, эффект кулоновской блокады оказывается сильнее на больших образцах.
— Как отреагировали физики? У нас говорят, что вы произвели большой шум, большую волну...
— Существуют работы, которые изменяют способ думанья. Именно такие работы принимаются труднее всего, но именно они и составляют прорывы в науке. Нам кажется, что наша работа принадлежит именно к такому классу. Мы изменили многие существующие представления. Во-первых, мы поняли, что куперовское спаривание может приводить к эффекту, противоположному сверхпроводимости, а именно, переход от нулевого к бесконечному сопротивлению может происходить при конечной температуре. Во-вторых, мы поняли, что из-за двумерности, возникающей в критической области перехода сверхпроводник-изолятор, эффект кулоновской блокады становится макроскопическим. А, в-третьих, мы осознали, что переход между состоянием в пленке, где заряды разных знаков свободны, к низкотемпературному состоянию, где все заряды связаны, и есть переход от изолятора к сверхизолятору.
И Валерий обрушил на меня каскад сравнений, объясняя, что происходит с образцом.
Татьяна, смеясь, заметила:
— Есть шестьдесят девять способов сочинять песни племен, и каждый из них правильный, как говорил Киплинг...
Физики увлеклись, заговорили о слишком высоких материях, и я поняла, что они обсуждают какую-то новую работу. Татьяна сказала, что вместе с Винокуром они написали новую статью для журнала Physical Review Letters.
Фото П. Гатилова
стр. 6-7
|
