В природе все симметрично, гласит один из основных законов науки. Очередное подтверждение этому нашли новосибирские физики, открывшие явление, противоположное сверхпроводимости, - сверхизоляцию.
Сверхпроводимость числится среди рекордсменов Нобелевских премий. Первой удостоен голландец Камерлинг-Оннес, открывший в 1911 году это удивительное явление. А затем в разные годы еще шесть раз ученые получали самую престижную в науке награду за исследования в данной области, причем среди лауреатов были наши соотечественники Лев Ландау, Петр Капица, Виталий Гинзбург, Алексей Абрикосов. Причем сам феномен сверхпроводимости до сих пор остается во многом загадкой для ученых, и здесь ожидается еще множество сюрпризов.
Один из них произошел в Новосибирске. Изучая сверхпроводимость, ученые вдруг столкнулись с ее антиподом - сверхизоляцией. Это было настолько невероятно, что старший научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН Татьяна Батурина сначала не могла поверить в результаты эксперимента. Последовала серия проверок, подтвердивших - эффект есть.
- Опыты проводились с тончайшими пленками нитрида титана, - рассказывает Батурина. - Кстати, этим веществом покрывают металлические зубные протезы, что обеспечивает их прочность и придает характерный "золотой" блеск. Так вот при сверхнизких температурах нитрид ведет себя как сверхпроводник, по нему ток течет практически без сопротивления. Но стоит уменьшить толщину пленки до наноразмеров, как материал вдруг теряет сверхпроводящие свойства.
Это явление было открыто еще в конце ХХ века. Но Батурина пошла дальше. В экспериментах, в которых ей помогал аспирант Алексей Миронов, обнаружен совершенно неожиданный эффект: в некоторых случаях сопротивление пленки скачком увеличивается в миллион раз. Его просто невозможно измерить! То есть наблюдался переход в новое доселе неизвестное состояние вещества - сверхизолятор.
Настоящие открытия совершаются в науке крайне редко, тонны руды уходят в отвал ради единственного грамма радия. Так было и здесь. "Открываем рабочую тетрадь, - говорит Татьяна Батурина. - Первая запись от 26 января 2001 года. Все началось с того, что Михаил Бакланов прислал мне пленки нитрида титана. Вообще я долго и занудно шла к результату. Кстати, еще два года назад один член-корреспондент РАН, также занимавшийся этой темой, сказал, что мне нужно бросить это занятие, поскольку там уже все ясно. Я и тогда и сейчас считаю, что мы только в начале пути".
Как это всегда бывает, экспериментальное открытие дает пищу теоретикам. Ведь обнаруженный эффект нужно осмыслить, понять его природу. И здесь главная заслуга принадлежит лауреату премии Джона Бардина Валерию Винокуру из Аргоннской национальной лаборатории США, который в свое время покинул Россию.
Согласно модели, предложенной Винокуром, в основе эффекта сверхизоляции лежат те же механизмы, которые вызывают и сверхпроводимость. Кстати, явление это крайне сложное, поэтому скажем о нем в самых общих чертах. Как известно, частицы с одинаковым зарядом отталкиваются. Однако внутри сверхпроводящего материала электроны начинают притягиваться друг к другу, образуя так называемые "куперовские пары", которые в свою очередь объединяются в ансамбль. Этот эффект и приводит к тому, что электрическое сопротивление падает до нуля.
- В очень тонкой пленке, толщиной в десятки нанометров, такие сверхпроводящие островки изолированы друг от друга, - объясняет Батурина. - Казалось бы, такой материал уже не должен проводить ток, однако он течет за счет так называемого туннельного эффекта. Так вот нам удалось его полностью уничтожить, и тогда сопротивление стало по сути бесконечным.
Валерий Винокур сумел объяснить этот феномен. Самыми продуктивными были встречи ученых в Израиле в Институте Вайцмана, в Международном теоретическом центре Италии и в Аргонне, где, работая бок о бок, физики смогли существенно продвинуться в понимании данного явления. Пока наконец не поняли, что имеют дело с новым состоянием вещества.
А вообще в открытии сверхизоляции участвовали ученые разных стран. "Все сошлось одно к одному, - делится Батурина. - Это и возможность работать с уникальными пленками, созданными в Бельгии Михаилом Баклановым, и нюх на перспективность данных исследований немца Кристофа Штрунка, и экспериментальный дар и преданность делу аспиранта ИФП Алексея Миронова, и глубочайшее понимание физики джозефсоновских переходов ученого из Германии Михаила Фистуля, и гений Валерия Винокура в распознавании новых явлений и генерации идей.
Что же сулит это открытие? По словам Батуриной, о конкретных практических применениях пока говорить рано. Впрочем, определенные идеи есть, но их надо защитить патентами. Скажем, это может быть создание приборов, работающих в космосе без дополнительного охлаждения.
Впрочем, даже неспециалисту понятно, что новое физическое явление, открывает дорогу к созданию нового класса материалов, возможности которых сейчас даже невозможно представить. Например, создание сверхконденсаторов или электрических батарей, которые не разряжаются сами собой с течением времени и могут храниться, сколь угодно долго.
P.S.
Ключевые эксперименты по открытию сверхизоляции были выполнены в Германии, в лаборатории Регенсбургского университета. "Мы бы выполняли все исследования дома, - сетует Татьяна Батурина. - Но, к сожалению, по разным причинам такой возможности у нас пока нет, потому нет оборудования, на котором уже работает весь мир".