ПУТЬ К КОМНАТНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

Катаргин Р. К.

В природе всё устроено гораздо проще, чем предполагает человек в своём мышлении. К примеру, все мучаются вопросом,- что такое сверхпроводимость? Почему она возникает в проводниках только при низких температурах? И третий вопрос – возможна ли комнатная сверхпроводимость? Давайте подумаем над этим вместе.

При изготовлении современных магнитов прессуют смесь необходимых порошков в нужную форму, затем вставляют её в катушку, дают толчок тока, и магнит готов. Спрашивается, – почему в теле постоянного магнита запасается энергия? Для ответа на данный вопрос проделаем второй опыт. На сверхпроводниковое кольцо в криостате намотаем провод и подключим к заряженному конденсатору. При толчке тока в нём возникает сверхпроводящий ток и, как в магните, запасается мощное магнитное поле и остаётся на долгие годы. Ответ на последний вопрос предельно прост. В постоянном магните при толчке тока возникают аналогичные сверхпроводящие токи, только в объёмах атомов и доменов, которые мы визуально обнаруживаем при помощи железного порошка на полюсе магнита, и надо отметить, что всё это при комнатных температурах и выше, до точки Кюри. Для магнитов данная Т_кюри – есть критическая температура пропадания намагничивания, аналогичная, как и для любого сверхпроводника Т_с - чёткая температура перехода в обычный проводник.

Развитие научных знаний не имеет столбовой дороги. Подчас исследователь, открывший новое фундаментальное направление в познании, трактует его в наиболее упрощённой форме в силу немногочисленных экспериментальных данных, накопленных к тому времени. Далее такая форма, не всегда верная, подхватывается другими единомышленниками и со временем обрастает такими подробностями и мощным математическим аппаратом, способным маскировать её недостатки, что развитие теории продолжается уже автоматически. Это и произошло с электронной проводимостью Друде, где энергия в проводнике переносится только электронами. Вернуться в таком состоянии к исходным, более верным позициям, становится уже достаточно трудным делом; обучение, проведённое с несколькими поколениями, заставляет идти только вперёд до полного тупика, как и случилось со сверхпроводимостью.

Согласитесь, что электрический ток – есть перенос энергии вдоль проводника. Электрон не может быть переносчиком энергии в проводниках, поскольку имеет постоянный заряд 1,6.10^-19 Кулона, изменить который не в состоянии от природы, что для передачи энергии вообще не подходит. Почему-то никого не смущает, что электрон в проводнике движется в противоположную сторону от минуса к плюсу, хотя энергия (установлено практикой) идёт от плюса к минусу (как и в атоме - от ядра к электронам). Причём экспериментально подтверждено, – скорость электрона даже в металле не превышает 0,5 мм/сек, а энергия в проводнике переносится со скоростью света. В синхротронных ускорителях радиочастотная электромагнитная волна тащит на себе пучок электронов для их ускорения, а не наоборот. Здесь роль локомотива поезда у волны, электроны являются вагонами. К тому же, внешние электроны атомов проводника связаны химическими связями, а известно, что при движении допустимого тока механические свойства проводника не меняются и самое большее, на что способны электроны, это перескочить с атома на атом. Электрон может запасать энергию только в силе (скорости) своего движения, а при торможении сбрасывать её в виде маленькой хаотичной электромагнитной волны света, что мы и видим на примере спиральки электролампочки. То же самое происходит в любых проводниках, это становится ясным при коротком замыкании, когда проводник сгорает с ярким свечением. И последнее. Ещё Герц на заре электротехники сделал опыт, где в электролинии, очень наглядно, простым искровым промежутком показал, что энергия переносится не только по проводам, а в основном, между проводами, где электронам быть запрещено [1,с.583]. Здесь работает обычная электромагнитная волна. Разве всё это не убедительно? Только не понимание таких простых фактов привело к не осознанию явления сверхпроводимости. Откуда же берётся электромагнитная волна для переноса энергии в проводах и сверхпроводниках по Герцу?

В любом проводнике, полупроводнике, диэлектрике на внешних валентных электронах есть три сильные электромагнитные волны. Других такой мощности на внешних электронах просто нет. Первая – это плазменная электронная [2, с.141], короче - плазмоэлектронная. Физически представляет собой электронную «толчею» из-за кулоновского расталкивания одноимённых зарядов. По величине её энергия составляет от единицы и до нескольких электронвольт. Определяется из опыта по характеристическим потерям энергии. На практике различают объёмные плазмоэлектронные колебания, и поверхностные, которые меньше объёмных примерно на корень из двух.

Вторая электромагнитная волна на внешних электронах – фермиевская энергия. Она нигде якобы не определяется экспериментально, поэтому измышления по её поводу слишком разнообразные. На самом деле это энергия вращения внешнего электрона любого атома вокруг ядра и ничего более, и фермиевскую энергию электрон получает от ядра, она имеет тоже строго определённую частоту (Е_ф = hЧƒ, где h – постоянная Планка, ƒ- частота) и располагается рядом с плазмоэлектронной энергией, поскольку электроны одни и те же – внешние атомов. Энергетическое положение плазменной электронной и фермиэнергии в любом веществе в оптической спектроскопии есть край основного поглощения [3,с.119] (или край фундаментального поглощения), где обнаруживаются так называемые экситоны (двугорбый всплеск энергии в спектроскопии). Для алюминия 1,55 эВ, для меди 2,2 эВ, для иттриевой керамики 1,95 эВ. Энергии всегда находятся рядом, но никогда не совмещаются подобно двум одинаковым индуктивно связанным контурам. Если контуры облучать их частотой, то у одного контура за счёт связи частота уходит вниз, у другого вверх. А облучение внешних электронов одно – от ядра. Отметим, что по каким-то причинам у металлов фермиэнергия немного ниже плазменной электронной, а у полупроводников и диэлектриков фермиэнергия выше плазмоэлектронной. Только поэтому у металлов возникает серия достаточно мощных боковых частот в сторону нуля энергии, в силу чего металлы хорошие проводники. А у полупроводников и диэлектриков наоборот, низкочастотные боковые опадают до малых размеров (стоксовы частоты), а высокочастотные усиливаются (антистоксовы), поэтому они плохо проводят электричество. Смена местами по величине данных двух энергий, которая производится толчком, объясняет переход Диэлектрик – Металл.

Третья электромагнитная волна – плазменная ионная (ионноплазменная). Является обобщающим элементом всех видов тепловых колебаний атомов (фононов). Во всех веществах она чётко определяется комбинационным рассеянием света. Отметим, что плазменная ионная «руководит» всем коллективом разнообразных тепловых колебаний решётки атомов в веществах (фононов), любое изменение данной энергии влечёт изменение и их величин. В этом разрезе особо надо отметить зависимость продольных акустических колебаний (обычная скорость звука в проводнике) от ионной плазменной. Энергия ионноплазменной волны не превышает 0,1 эВ, соответственно и частота её небольшая по сравнению электронными волнами.

Все три электромагнитные волны в проводниках, полупроводниках, диэлектриках естественным образом складываются в единую волну. В спокойном веществе она имеет вид стоячей волны. Эту единую волну в электролинии и показал нам Герц простым искровым промежутком, а сейчас каждый школьник в физкабинете, да и каждый желающий под высоковольтной электролинией, может посмотреть неоновой лампочкой. При любом нарушении нейтральности даже из-за случайного смещения электронов в проводнике единая волна бросается устранять нарушение и за счёт растаскивания электронов по своим местам восстанавливает порядок как хозяйка в квартире. Вот это движение электронов при наведении порядка и есть сопротивление, поскольку они от единой волны отнимают энергию на движение (как в синхротронном ускорителе), а, останавливаясь, сбрасывают избыток энергии в виде хаотического излучения – тепла. Происходит ослабление энергии единой волны на величину теплового электронного выброса. Когда растаскивать нечего она переходит в стоячую, - хозяйка отдыхает. Растаскивание инерционных электронов происходит и в опыте Толмена-Стюарта, мы же измеряем гальванометром только напряжение единой волны, её возбуждение. В полупроводниках мы, чисто опытным способом, немного научились управлять единой волной. Путём приложения напряжения к концам кристалла, мы изменяем по частоте положение плазмоэлектронной и фермиэнергии в сторону приближения, отчего падает значение сопротивления. Раздвигая обе энергии по частоте (уменьшая число электронов за счёт приложения плюс напряжения), увеличиваем сопротивление транзистора. Полупроводники имеют наиболее близкие по значению электронные энергии, поэтому и легче подчиняются регулированию.

В природе существует резонанс указанных трёх электромагнитных волн, двух электронных - плазмоэлектронной и фермиевской – с третьей ионноплазменной. В физике данный факт известен как трёхволновый резонанс [4,с.135]. В этом случае разница по частоте электронных энергий совпадает с частотой ионноплазменной. Из теории известно; в момент резонанса суммарная энергия трёх волн поочерёдно перекачивается то в фермиевскую, то в плазмоэлектронную, то в ионноплазменную волны. Когда полная энергия попадает в ионноплазменную, тогда возбуждается весь спектр тепловых колебаний атомов, что экспериментально видим по броску теплоёмкости в проводниках. В этот момент скорость звука тоже растёт, а это значит, что звуковой волной атомы плотнее сдвигаются и растягиваются между собой вдоль проводника. При сжатии атомов между ними сдавливаются и электроны, чем и получают от ядер дополнительную энергию, в момент же расхождения атомов сбрасывают избыточную энергию не хаотически, а в виде кусочков в единую электромагнитную волну, но уже дружно, руководимые её частотой, по лазерному принципу. Это дополнение усиливает единую волну, что обнаруживается в виде отрицательного сопротивления в полупроводниках.

Есть ещё один неординарный фактор чрезвычайно важный для сверхпроводимости. Так устроила природа, что акустическая волна сжатия и разряжения атомов между собой сама по себе достаточно слаба, поскольку часть энергии уходит на образование тепла. Но в определённый момент она может быть усилена самими тепловыми колебаниями атомов и даже в несколько раз. Такое усиление называется Баллистическими колебаниями (фононами), которые возникают только при очень низких температурах [5,с.22]. Усиление происходит только в момент перевода тепловых колебаний из хаотического движения в определённые направления при охлаждении, - по строго выделенным осям кристалла за счёт ослабления других направлений. Вот этот фактор и является главным и определяющим начало любого сверхпроводящего перехода. У каждого сверхпроводника, в силу особенностей кристаллической решётки, возникают строго свои баллистические фононы. Это обнаружилось в высокотемпературных керамиках в виде резкой анизотропии проводимости тока. Температурное включение данных колебаний усиливает акустическую волну, она сильнее сдавливает электроны к ядрам атомов, отчего электроны больше запасают энергии и значительно усиливают единую электромагнитную волну аналогично свету в лазере. А от неё резонансная ионноплазменная энергия получает мощные толчки и заставляет яростнее работать опять же акустическую волну. Образуется полноценная положительная обратная связь, что и заставляет запасать в сверхпроводниковых накопителях громадную энергию не сравнимую с любым мыслимым аккумулятором. Значит, в сверхпроводниках мы имеем два основных совместимых фактора – возникновение мощной единой электромагнитной волны на внешних электронах и, благодаря возникновению баллистических колебаний, создание усиленной обратной связи по энергии через акустическую волну. Электроны, получая дополнительную энергию в данном процессе, разгоняются на своих орбитах, и как два проводника с повышенными токами одного направления притягиваются между собой против кулоновского отталкивания до спиновой «защёлки» магнитиками. Спиновые силы крайне короткодействующие, поэтому они закрепляют спаривание двух электронов только на расстояниях порядка 10^-12 м. От спаривания получается двойная выгода; спаренные электроны не мешают единой волне двигаться и не отнимают у неё энергии своими дебройлевскими волнами. И одновременно, постоянно подкачиваясь к ядрам атомов, получают толчками энергию, а затем дружно перекачивают её единой волне для её усиления. Такая электронная пара, в отличие от пары химической связи, почти свободна в пространстве и за счёт полюсов собственных токовых магнитиков всегда разворачивается против внешнего магнитного поля, и своим вращением создаёт диамагнетизм данного вещества (в ней возникает противоток). Длина когерентности, обнаруживаемая экспериментально в сверхпроводниках, и есть длина резонансной единой электромагнитной волны (огибающая от сложения трёх электромагнитных волн).

Проверить данные соображения практически не сложно. Известно не мало веществ с сильным диамагнетизмом даже при комнатной температуре, значит там уже работает несколько усиленная резонансом единая волна и есть готовые электронные пары (к примеру СuCl, SiC). Надо взять такое вещество, определить акустическую частоту, и в неё, вместо баллистических фононов, подать ультразвуковые колебания достаточной мощности (выполнить работу ионноплазменной энергии). Этим действием усилим работу обратной связи и запустим круговорот энергии, в результате получится искусственный сверхпроводник при комнатной температуре. При этом надо помнить, что при недостаточной ультразвуковой мощности будет меняться всего лишь величина сопротивления образца. Возможно, что именно на этом принципе работают некоторые кристаллы с эффектом Ганна, где создаются мощные электрические колебания. Судя по всему, там, от действия прилагаемого электрического напряжения выше 3 киловольт возникают те же самые баллистические колебания при комнатной температуре, но почему-то кратковременные, только на период колебания. Ультразвук на малых кристаллах можно заменить лазерными импульсами с фермисекундными временами.

Согласно изложенного рассуждения можно наметить путь изготовления комнатного сверхпроводника. Надо взять материал с сильными химическими связями для успешной работы звуковой волны, приборами определить все три электромагнитные волны и при помощи введения тяжелых или лёгких атомов в кристаллическую решётку добиться трёхволнового резонанса. А затем настроить силу обратной связи звуковой волны вначале ультразвуком (или лазером), а потом, путём эксперимента разработать метод возбуждения баллистических колебаний. Для этого подойдёт карбид кремния, а в будущем лучшим сверхпроводниковым материалом будет обыкновенный углерод, поскольку в его чешуйках самые сильные химсвязи от природы, соответственно для возникновения сверхпроводимости потребуется минимальная энергия баллистических колебаний.

В заключение отметим, что сверхпроводник отличается от всех остальных материалов внутренней, резонансной единой электромагнитной волной на внешних электронах и работающей в паре с баллистическими колебаниями атомов (фононов). Доказательством этому является экспериментально обнаруживаемая в последнее время объёмная и поверхностная сверхпроводимость в веществах (по типу объёмных и поверхностных плазмоэлектронных колебаний).