Среди чистых сверхпроводящих элементов самую высокую критическую температуру имеет Nb. В нем сверхпроводимость сохраняется до температуры Гк = 9,2°К. Более высокая температура перехода встречается только у сплавов. В течение многих лет «рекордсменом» был сплав Nb3Snс критической температурой Тк = 18,1 °К. Несколько лет тому назад этому сплаву пришлось все-таки «потесниться». В настоящее время сверхпроводимость вплоть до температуры Тк = 20,1 °К сохраняет весьма сложное соединение Nb3Al— Nb3Ge. Пленки Nb3Geимеют Тк — 22,3 °К. Мы видим, что повышение критической температуры требовало усложнения исследуемых веществ.
На чем же основана существующая теперь надежда на заметное повышение ТЛ? Основана она прежде всего на понимании механизма сверхпроводимости, природы самого явления. Это и позволяет вести поиск не вслепую, а в определенных направлениях.
Мы уже говорили, что сверхпроводимость возникает благодаря межэлектрониому притяжению, которое появляется из-за взаимодействия электронов с решеткой кристалла. При действии этого обычного механизма сверхпроводимость может сохраняться лишь до температур Т ≈ 40—50 °К. Поскольку в настоящее время достигнуты пока Тк ≈ 20 К, то имеются еще не использованные резервы и возможности повышения Тк с помощью электрон-ионного взаимодействия. В этом направлении поиски ведутся сейчас во многих физических лабораториях.
Повышение критической температуры, при котором в сверхпроводнике продолжает действовать обычный механизм сверхпроводимости, связывается главным образом с воздействием на структуру кристаллической решетки. Ее свойства пытаются изменять так, чтобы увеличить межэлектронное притяжение.
Но если говорить о высокотемпературной сверхпроводимости, о сверхпроводниках, которые существовали бы при комнатной температуре, то в этом случае нужно вести поиск новых механизмов сверхпроводимости.
Притяжение электронов, приводящее к сверхпроводимости, создается за счет промежуточной среды, и в обычном случае такой средой является кристаллическая решетка. Возникает вопрос: а нельзя ли найти другую среду, которая обеспечила бы более сильное межэлектрошкю притяжение?
В 1964 г. появилась работа американского физика В. Литтла, в которой был получен феноменальный результат, вызвавший огромный интерес. В предложенной им модели сверхпроводника сверхпроводимость сохранялась до температуры Т ≈ 2400 °К.
Что же из себя представляет модель Литтла? Она изображена на рисунке. Рассматривается полимер с главной осью AB, вдоль которой и перемещаются электроны приводимости. Кроме того имеются боковые ветви, причем электроны, относящиеся к ним, совершают колебательное движение. Основное в этой модели — существование двух групп электронов. Один из электронов проводимости посредством кулоновских сил вызывает движение электронов в боковой ветви, что сказывается на состоянии другого электрона проводимости. Картина вполне похожа на обычную, но роль ионов решетки теперь играют электроны боковых ветвей. Они и образуют ту промежуточную среду, которая создает притяжение между электронами проводимости. При этом в главной оси устанавливается сверхпроводящее состояние. В обычном случае притяжение в сверхпроводнике создается системой ионов. Но электроны, находящиеся на боковых ветвях, являются более подвижными частицами. Поэтому притяжение, которое они создают, сказывается сильнее, чем в обычном случае, что и проводит к высокотемпературной сверхпроводимости.
Модель, подложенная Литтлом, очень красива, однако попытки синтеза наталкиваются на принципиальные трудности. Главная из них не имеет отношения к механизму сверхпроводимости, она связана с одномерным характером модели Литтла. Оказывается, что в случае когда электроны могут двигаться вдоль одной лини (как говорят, в одномерном случае), сверхпроводимость вообще невозможна.
Однако идея нового механизма, основанного на наличии двух групп электронов, вовсе не требует одномерности. Она может быть реализована и в обычном трехмерном случае. Такой механизм сверхпроводимости подробно исследован в работах советского физика-теоретика Б. Т. Гейликмана. Им были рассмотрены две основные возможности установления сверхпроводящего состояния. Первая из них соответствует случаю, когда электроны разных групп пространственно отделены друг от друга. Примером такой системы является сплав металла с неметаллическим веществом. Электроны проводимости могут перемещаться по всему металлу. Вторая же группа частиц образована электронами неметаллических включений. Взаимодействие этих двух групп электронов и приводит к возможности возникновения сверхпроводимости в металле.
Две пространственно разделенные группы электронов образуются и в случае, когда на пленку металла нанесено неметаллическое покрытие. Системы такого рода были рассмотрены в работах академика В. Л. Гинзбурга с сотрудниками.
Второй тип трехмерной системы соответствует случаю, когда электроны не образуют пространственно разделенных групп. В металле часто встречаются группы электронов проводимости, перемещающиеся по всему образцу, но отличающиеся своими свойствами (например, подвижностью).
Если мы представим себе процесс образования металла как постепенное сближение ранее независимых атомов, то различные группы электронов (они называются зонами) соответствуют электронам, находившимся ранее на различных атомных уровнях. Следует отметить, однако, что условия возникновения сверхпроводимости в этом случае очень капризны и необходима большая и сложная работа по поиску таких веществ.
Высокотемпературная сверхпроводимость резко увеличит область использования эффекта сверхпроводимости. Замечательные свойства сверхпроводников, такие, как отсутствие тепловых потерь, аномалии в тепловых и электромагнитных свойствах, наблюдаемая сверхпрозрачность по отношению к низкочастотным электромагнитным и звуковым колебаниям и т. д., бесспорно, найдут себе широкое применение.
В. Литтл в одной из статей писал: «Размышления относительно использования таких сверхпроводников будут читаться скорее как научно-фантастический роман, чем серьезные научные предложения...
Магнитное поле не может проникнуть в сверхпроводник и таким образом создает подушку, на которой покоится магнит. Нетрудно представить себе парящий корабль будущего, использующий этот самый принцип для перевозки пассажиров и груза над «железной дорогой» из сверхпроводящего слоя; этот корабль движется как ковер-самолет, без трения, без износа и разрушения. Можно представить себе катание на магнитных лыжах по сверхпроводящим горам, лыжные прыжки — многие фантастические вещи окажутся вполне реальными».
Сверхпроводимость сейчас относится к физике низких температур. Но вполне возможно, что в недалеком будущем придет конец этому ограничению.