Джон Шриффер

Биография

Американский физик Джон Роберт Шриффер родился в г. Оук-Парк (штат Иллинойс), в семье Джона Г. Шриффера и Луизы (урожденной Андерсон) Шриффер. В 1940 г. семья переезжает в г. Манхассет (штат Нью-Йорк), а еще через девять лет в г. Юстис (штат Флорида). По окончании Юстисской средней школы в 1949 г. Ш. поступает в Массачусетский технологический институт, намереваясь стать инженером-электриком. Через два года он избирает своей специальностью физику и в 1953 г. получает степень бакалавра.

В 1954 г. он защищает в университете штата Иллинойс диссертацию, выполненную под руководством признанного авторитета в области физики твердого тела Джона Бардина, и получает степень магистра. Диссертация Ш. была посвящена исследованию электронной проводимости на поверхности полупроводника. По завершении работы над диссертацией он присоединяется к Бардину в исследовании явления сверхпроводимости и свойств вещества при температурах, близких к абсолютному нулю (273°С).

В 1911 г. нидерландский физик Хайке Камерлинг-Оннес открыл, что некоторые материалы утрачивают сопротивление электрическому току при охлаждении до температур всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Новое явление, получившее название сверхпроводимости, было воспринято как большая неожиданность, и прошло почти 50 лет, прежде чем оно было полностью понято.

Почти все металлы при охлаждении становятся лучшими проводниками, поскольку основным источником электрического сопротивления являются тепловые колебания атомов в металле, рассеивающие электроны носители электрического тока Охлаждение металла уменьшает амплитуду колебаний и тем самым устраняет препятствие потоку электронов. В нормальных металлах повышение электропроводности происходит постепенно, и сопротивление падает до нуля лишь при температуре абсолютного нуля (недостижимой на практике) В сверхпроводнике (и это особенно удивительно) все электрическое сопротивление исчезает внезапно при определенной температуре выше абсолютного нуля Атомы металла все еще совершают тепловые колебания, но ток, несущий электроны, проходит беспрепятственно

Другое необычное свойство сверхпроводников было открыто в 1933 г. немецким физиком Вальтером Мейснером. Мейснер обнаружил, что сверхпроводники могут обладать идеальным диамагнетизмом магнитное поле выталкивается изнутри сверхпроводящего тела, и такое тело отталкивается обоими полюсами магнита, в результате магнитный материал, помещенный над сверхпроводником, повисает в состоянии левитации. Если сверхпроводящий материал поместить в достаточно сильное магнитное поле, то такой материал утрачивает свою сверхпроводимость и становится нормальным проводником. В 1935 г. немецкий физик Фриц Лондон высказал предположение, что диамагнитный аспект сверхпроводимости является ее основным свойством. С помощью умозрительных построений Лондон пришел к выводу о том, что сверхпроводимость является квантовым явлением, происходящим в макроскопическом масштабе.

В 1950 г. несколько американских физиков исследовали сверхпроводимость в металлах, имеющих несколько изотопов (под изотопами принято понимать разновидности химического элемента с одним и тем же числом электронов и протонов – и, следовательно, с одинаковыми химическими свойствами, но с различным числом нейтронов). Оказалось, что критическая температура, при которой изотоп становится сверхпроводящим, обратно пропорциональна его атомной массе. Зная, что атомная масса может влиять на свойства твердого тела только одним способом изменяя характеристики, ответственные за распространение колебаний, – Бардин предположил, что сверхпроводимость зависит от взаимодействия электронов проводимости с колебательным движением атомов в металле. По мнению Бардина, электроны проводимости должны связываться друг с другом благодаря взаимодействию с этими колебаниями.

В 1956 г. один из постдокторантов Бардина в Иллинойском университете Леон Н. Купер доказал, что взаимодействие электронов проводимости с атомными колебаниями приводит к образованию связанных пар электронов. Один электрон, двигаясь сквозь кристалл металла, притягивает к себе окружающие положительно заряженные атомы. Эта легкая деформация кристаллической решетки создает мгновенную концентрацию положительного заряда, которая в свою очередь притягивает второй электрон. Таким образом, два электрона оказываются косвенно связанными через посредническое действие кристаллической решетки. О таких электронах говорят, что они образуют куперовскую пару.

Ш. и Бардин попытались распространить куперовскую идею о воздействии пар электронов на поведение подавляющего большинства свободных электронов в сверхпроводящем твердом теле. Ш. уже хотел было отказаться от дальнейших попыток найти решение проблемы, но Бардин, который как раз в то время должен был отправиться в Швецию на церемонию вручения ему Нобелевской премии по физике за 1956 г., присужденной ему за вклад в изобретение транзистора, уговорил Ш. поразмыслить еще месяц над проблемой, и за этот месяц Ш. действительно удалось разработать статистический метод, который позволил получить решение проблемы.

По возвращении Бардина трое исследователей Бардин, Купер и Ш., объединив усилия, показали, что взаимодействие между куперовскими парами охватывает многие свободные электроны в сверхпроводящем веществе, вынуждая их двигаться строго согласованно, «в ногу» Как и предполагал Лондон, сверхпроводящие электроны образуют единое квантовое состояние, охватывающее весь материал. Ниже критической температуры сила спаривания, удерживающая электроны в их согласованном движении, по интенсивности превосходит тепловые колебания атомов в металле Возмущение, способное отклонить отдельный электрон и поэтому порождающее электрическое сопротивление, не может этого сделать, не затрагивая при этом все электроны, участвующие в сверхпроводящем состоянии. Такое событие необычайно мало вероятно, и в результате сверхпроводящие электроны дрейфуют когерентно без потерь энергии. За вклад в теорию сверхпроводимости Ш. в 1957 г. был удостоен докторской степени в Иллинойском университете.

Теория Бардина – Купера – Шриффера (БКШ) была признана одним из наиболее важных достижений теоретической физики со времени создания квантовой теории. В 1958 г., применяя теорию БКШ, Купер и его коллеги предсказали, что очень холодный жидкий гелий-3 (изотоп гелия, ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона) должен обладать сверхтекучестью, т.е. переходить в необычное состояние материи, характеризующееся отсутствием вязкости и поверхностного натяжения. Ранее сверхтекучесть наблюдалась в более широко распространенном изотопе гелий-4 (ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов), но, по общему мнению, была невозможна в изотопах с нечетным числом ядерных частиц. Сверхтекучесть гелия-3 была экспериментально подтверждена в 1962 г.

В 1972 г. Ш., Куперу и Бардину была присуждена Нобелевская премия по физике «за созданную их совместными усилиями теорию сверхпроводимости, обычно называемую теорией БКШ». Выступая при презентации лауреатов, Стиг Лундквист, член Шведской королевской академии наук, сказал: «В своей фундаментальной работе вы предложили полное объяснение явления сверхпроводимости. Ваша теория позволила также предсказать новые эффекты и стимулировала интенсивные теоретические и экспериментальные исследования. Последующие работы в области сверхпроводимости поразительным образом подтвердили широчайший диапазон применимости и справедливость основных понятий и идей, изложенных в вашей фундаментальной статье 1957 г.».

Теория БКШ оказала глубокое влияние и на физическую теорию, и на технику. Именно она привела к созданию сверхпроводников, способных работать при высоких температурах или при наличии сильных магнитных полей. Такие сверхпроводники имеют решающее значение для создания электромагнитов, позволяющих получать мощные магнитные поля, но потребляющих мало энергии. Такого рода магниты находят применение при исследовании термоядерного синтеза; в магнитной гидродинамике (генерировании электрического тока при прохождении сильно ионизованного газа через магнитное поле); при ускорении до высоких энергий частиц в физике элементарных частиц; в магнитной подвеске при движении без трения; в биологических и физических исследованиях, связанных с взаимодействием атомов и электронов с сильным магнитным полем; при создании компактных мощных электрических генераторов. Открытие физиком из Уэльса Брайаном Д. Джозефсоном особых режимов на границах между двумя сверхпроводниками (эффект Джозефсона) привело к созданию сенсоров, способных детектировать магнитную активность внутри живых организмов и обнаруживать залежи руды и нефти на основе их магнитных свойств.

В 1957...1958 гг. на правах постдокторанта Национального научного фонда Ш. занимался исследованием сверхпроводимости в Бирмингемском университете (Англия) и в Институте Нильса Бора в Копенгагене (Дания). Там же в I960 г. он встретил Анне Грете Томсен. Через несколько месяцев они поженились. У них две дочери и сын.

Ш. преподавал физику в Чикагском университете (1957...1960), университете штата Иллинойс (1959...1960), Пенсильванском университете (1962). Корнеллском университете (1969...1975) и с 1975 г. – в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Он занимается также исследованием магнитных свойств материалов, свойств сплавов и поверхностных эффектов. В Пенсильванском университете Ш. стал одним из соавторов доклада, на основе которого была создана программа афро-американских исследований. Он не дает себя в обиду, у него по каждому поводу имеется наготове саркастическая реплика.

Ш. удостоен многочисленных наград в том числе премии Комстока американской Национальной академии наук (1968), премии Оливера Бахли по физике твердого тела Американского физического общества (1968) и медали Джона Эрикссона Американского общества шведских инженеров (1976). Он почетный доктор пяти университетов, член американской Национальной академии наук, Американской академии наук и искусств, Американского философского общества и Датской королевской академии наук и искусств.