Есть ли какая-то связь между столь разными вещами, как сверхпроводники и, например, космические струны? Не исключено, и эксперименты, подобные экспериментам французских и израильских ученых по наблюдению необычных кольцевых структур из вихрей Абрикосова в ниобии, возможно, способны будут что-то сказать нам о далекой во всех смыслах Вселенной.

Рис. 1. Схема эксперимента.

В фильме "Матрица" умудренный Морфеус убеждает хакера Нео, что на самом деле все вовсе не так, как тому кажется. Иногда так бывает и в физике: кажется, что ученые исследуют некоторый определенный объект, а на поверку оказывается, что за зримой реальностью экспериментов таится совсем иное. Но обо всем по порядку, начнем с того, что "кажется".

Сверхпроводники принято делить на два типа. Для сверхпроводников первого рода существует критическая величина магнитного поля, при превышении которой сверхпроводник переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. В случае сверхпроводников второго рода ситуация несколько сложнее - существует два критических поля, нижнее (H_c1) и верхнее (H_c2). Когда напряженность магнитного поля превышает H_c1, сверхпроводник переходит в так называемое смешанное состояние - магнитное поле начинает проникать в объем сверхпроводника в виде "нитей" (вихрей Абрикосова). В центре каждого вихря сверхпроводимость подавлена, а вокруг этой области текут экранирующие сверхпроводящие токи (подробнее про типы сверхпроводников и вихри Абрикосова см. в новости от 21.06.02), в целом же вещество продолжает оставаться в сверхпроводящем состоянии. По мере роста напряженности поля число вихрей растет, и при достижении величины H_c2 вихри сливаются и сверхпроводник переходит в нормальное состояние.

При равновесных условиях взаимодействующие между собой вихри образуют упорядоченную структуру - вихревую решетку, как правило, треугольную решетку. Французские и израильские ученые исследовали поведение вихрей Абрикосова в нестационарной ситуации и обнаружили появление необычной структуры - кольца из вихрей [1].

Рис. 2. Экспериментальное наблюдение кольцеобразной области (ее размер - 800 x 800 мкм (60 x 60 экспериментальных точек)), занимаемой вихрями Абрикосова вокруг центрального "горячего пятна" в двумерном (слева) и трехмерном (справа) представлении, цвет определяется измеряемым напряжением.

Ученые исследовали поведение тонкой (толщиной несколько сотен микрон) пленки из ниобия (сверхпроводника второго рода) в магнитном поле (0.1 Тл) под действием лазерных импульсов при температуре жидкого гелия (4.2 K). Излучение аргонового лазера, сфокусированное в пятно с размером несколько десятков микрон, вызывало локальный разогрев пленки и ее переход в нормальное состояние. В "нормальную" область проникало магнитное поле и к моменту окончания с областью возбуждения оказывалось связано определенное число квантов потока магнитного поля (каждому вихрю Абрикосова соответствует один "захваченный" квант потока магнитного поля). Исследователи наблюдали за эволюцией системы по мере остывания нагретой области и восстановления сверхпроводящего состояния. Регистрация вихрей происходила по следующей схеме (рис. 1): на противоположной освещаемой стороне образца помещался точечный контакт и проводилось измерение напряжения между ним и контактом краю образца. В случае, если контакт находился в сверхпроводящей области (область s и позиция p II на рис. 1), никакой разности потенциалов быть не должно; в случае же, когда контакт находился в нормальной области (область n и позиция p I на рис. 1), т.е. в центральной области вихря, должна регистрироваться определенная разность потенциалов. Смещая контакт вдоль поверхности образца, исследователи получили изображение распределения вихрей вблизи области возбуждения (рис. 2).

Модельные картинки для эволюции системы (при определенных параметрах) приведены на рис. 3. Четкие "модельные" кольцеобразные структуры из вихрей явно выигрывают в красоте по сравнению с размытым кольцом из эксперимента. Надо учитывать, однако, что экспериментальная картинка получена путем усреднения по множеству измерений, а также ограниченное пространственное разрешение экспериментальной установки.

Иной читатель, наверно, вспомнит героя старого анекдота, который удивлялся, почему от прямоугольных кирпичей в воде расходятся круглые волны, и скажет, что французы и израильтяне "кидали в воду" "кирпичи" правильной формы. В ответ на это можно сказать, что картина распределения вихрей вблизи области возбуждения зависит от нескольких параметров и, в принципе может быть и стандартной треугольной решеткой. Но, как уже говорилось выше, цель подобных экспериментов в принципе выходит далеко за пределы изучения поведения вихрей в конкретных сверхпроводниках при определенных условиях.

Рис. 3. Модельные картинки для эволюции остывающей системы, для числа захваченных квантов магнитного потока (= топологического заряда), равного 16.

Переход в сверхпроводящее состояние - это фазовый переход со спонтанным нарушением симметрии (фазовый переход второго рода). Фазовые переходы со спонтанным нарушением симметрии происходят не только в конденсированных средах (переход в магнитоупорядоченное состояние, в сверхтекучее состояние и т.д.), но в конденсированных средах можно экспериментально изучать их. В отличие от, например, космологии... Поскольку нет никакой возможности экспериментально исследовать фазовые переходы в рождающейся Вселенной, то можно попытаться найти доступные в земных условиях модельные системы, в определенных отношениях эквивалентные с точки зрения описания протекающих процессов. Например, системы, позволяющие изучать формирование топологических дефектов (аналогов вихрей Абрикосова - космических струн ) в быстро остывающей ранней Вселенной, как в данном случае.

Вообще, для физики последних десятилетий довольно характерно стремление, пользуясь наиболее общими физическими принципами, находить "лабораторные аналоги" недоступных явлений и объектов (космических струн, черных дыр). Общности между столь, казалось бы, разными областями физики, как физика конденсированных сред, космология и физика элементарных частиц, посвящена совсем недавно вышедшая книга Г.Е.Воловика с "говорящим" названием "Вселенная в капле гелия" .

1. A.Groeger, A.Boehm, U.Beyer et al. Phys.Rev.Lett., v.90, 237004 (2003).

Е.Онищенко