НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1972 г. / ФИЗИКА / ДЖОН РОБЪРТ ШРИФЪР

Джон Робърт Шрифър (John Robert Schrieffer)

31 май 1931 г. - 27 юли 2019 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Джон Бардийн и Лион Купър)

(За създаване на теорията за свръхпроводимостта, обикновено наричана БКШ-теория .)

Американският физик Джон Робърт Шрифър е роден в Оук Парк (щат Илинойс) в семейството на Джон Г. Шрифър и Луиза (Андерсън) Шрифър. През 1940 г. семейството се мести да живее в Манхасет (щат Ню Йорк), а след девет години в Юстис (щат Флорида). Като завършва Юстиското средно училище през 1949 г., Шрифър постъпва в Масачузетския технологичен институт с намерение да стане електроинженер. След две години избира за своя специалност физиката и през 1953 г. получава степента бакалавър. През 1954 г. защитава в университета на щат Илинойс дисертация, разработена под ръководството на признатия авторитет в областта на физиката на твърдото тяло Джон Бардийн и получава степента магистър. Дисертацията на Шрифър изследва електронната проводимост по повърхността на полупроводниците. След защитата на дисертацията си, Шрифър се присъединява към Бардийн, за да изследват заедно явлението свръхпроводимост и свойствата на веществата при температури, близки до абсолютната нула (273°С).

През 1911 г. нидерландският физик Хайке Камерлинг Онес открива, че някои метали губят електрическото си съпротивление при охлаждане до температури, които са с няколко градуса по-големи от абсолютната нула. Новото явление, получило названието свръхпроводимост, е прието като голяма изненада и минават почти петдесет години, преди да бъде разбрано напълно.

Почти всички метали стават при охлаждане по-добри проводници, защото основен източник на електрическото съпротивление е топлинното трептене на металните атоми, разсейващо електроните, които носят електрическия ток. Охлаждането на металите намалява амплитудата на трептене и така премахва препятствието пред потока електрони. В нормалните метали повишаването на електропроводимостта протича постепенно и съпротивлението се губи напълно едва при температура, равна на абсолютната нула (която е недостижима на практика). В свръхпроводниците (и това е особено удивително) цялото електрическо съпротивление се губи внезапно при определена температура, по-висока от абсолютната нула. Атомите на метала все още извършват топлинно трептене, но токът, носещ електроните, преминава безпрепятствено.

Друго необичайно свойство на свръхпроводниците е открито през 1933 г. от немския физик Валтер Майснер. Майснер открива, че свръхпроводниците притежават идеален диамагнетизъм. Ако свръхпроводящ материал се постави в достатъчно силно магнитно поле, той губи своята свръхпроводимост и става нормален проводник. През 1935 г. немският физик Фриц Лондон изказва предположение, че диамагнитният аспект на свръхпроводимостта е нейно основно свойство. С помощта на умозрителни конструкции Лондон стига до извода, че свръхпроводимостта е квантово явление, протичащо в микроскопичен мащаб.

През 1950 г. американски физици изследват свръхпроводимостта в метали, които имат няколко изотопа (за изотопите е прието да се смята, че са разновидности на химичните елементи с един и същ брой електрони и протони - и следователно с еднакви химични свойства, но с различен брой неутрони). Оказва се, че критичната температура, при която изотопът става свръхпроводим, е обратно пропорционална на неговата атомна маса. Знаейки, че атомната маса може да влияе върху свойствата на твърдото тяло само по един начин - изменяйки характеристиките, отговарящи за разпространението на атомното трептене, Бардийн предполага, че свръхпроводимостта зависи от взаимодействието на електроните на проводимостта с трептенето на атомите в метала. Според него един електрон на проводимостта би трябвало да се свързва с друг електрон под въздействието на това трептене.

През 1956 г. един от постдокторантите на Бардийн в Илинойския университет, Лион Н. Купър, доказва, че взаимодействието на електроните на проводимостта с атомното трептене води до образуването на свързани двойки електрони. Един електрон, движейки се през кристалната решетка на метала, привлича към себе си околните положително заредени атоми. Тази лека деформация на кристалната решетка създава мигновена концентрация на положителен заряд, която на свой ред привлича втори електрон. Така двата електрона се оказват косвено свързани чрез посредничеството на кристалната решетка. За такива електрони се казва, че образуват куперова двойка.

Шрифър и Бардийн се опитват да разпространят идеята на Купър за въздействието на двойката електрони върху поведението на по-голямата част от свободните електрони в свръхпроводимото твърдо тяло. Шрифър е вече на път да се откаже от по-нататъшни опити да търси решение на проблема, но Бардийн, който по това време трябва да замине за Швеция, за да му връчат Нобелова награда за физика (1956 г.), присъдена му за приноса, който има в изобретяването на транзистора, го уговаря да помисли още един месец над задачата и за този месец Шрифър наистина успява да разработи статистически метод, който позволява да се достигне до решението.

След завръщането на Бардийн тримата изследователи, Бардийн, Купър и Шрифър, като обединяват усилията си, доказват, че взаимодействието между купъровите двойки влияе на много свободни електрони в свръхпроводящото вещество, принуждавайки ги да се движат строго съгласувано. Както предполага Лондон, свръхпроводящите електрони образуват единно квантово състояние, обхващащо целия материал. Под критичната температура силата на сдвояване, удържаща електроните в съгласувано движение, превъзхожда по интензивност топлинното трептене на атомите в метала. Смущението, което може да отклони отделни електрони и да създаде по този начин електрическо съпротивление, не е в състояние да направи това, без да засегне всичките електрони, участващи в свръхпроводимостта. Подобно събитие е съвсем малко вероятно и поради това свръхпроводимите електрони се движат кохерентно без загуба на енергия. За приноса си в теорията за свръхпроводимостта Шрифър е удостоен през 1957 г. с докторска степен от Илинойския университет.

Теорията на Бардийн, Купар и Шрифър (БКШ-теорията) е призната за едно от най-важните достижения на теоретичната физика след създаването на квантовата теория. През 1958 г., прилагайки БКШ-теорията, Купър и неговите колеги предсказват, че много студеният течен хелий-3 (изотоп на хелия, чието ядро се състои от два протона и един неутрон) трябва да има свръхфлуидност, иначе казано - да преминава в необичайно състояние на материята, характеризиращо се с отсъствие на вискозитет и повърхностно напрежение. Преди това свръхфлуидност е наблюдавана при по-широко разпространения изотоп хелий-4 (чието ядро се състои от два протона и два неутрона), но според общото мнение тя е невъзможна в изотопите с нечетен брой ядрени частици. Свръхфлуидността на хелий-3 е потвърдена експериментално през 1962 г.

БКШ-теорията оказва дълбоко влияние и върху теоретичната физика, и върху техниката. Именно тя довежда до създаването на свръхпроводниците, способни да работят при високи температури или при наличието на силни магнитни полета. Подобни свръхпроводници имат решаващо значение за създаването на електромагнити, позволяващи да се получат мощни магнитни полета, но изразходващи малко енергия. Такива магнити се използват при изследването на термоядрения синтез, в магнитната термодинамика (генерирането на електрически ток при преминаване на силно йонизиран газ през магнитно поле), във физиката на елементарните частици при ускоряването до високи енергии на частиците, в магнитното окачване при движението без триене, в биологични и физични изследвания, свързани с взаимодействието на атомите и електроните със силно магнитно поле, в създаването на компактни мощни електрически генератори.

През 1957-1958 г. Шрифър се занимава с изследване на свръхпроводимостта в Бирмингамския университет (Англия) и в института “Нилс Бор” в Копенхаген (Дания). Там той среща през 1960 г. Анна Грета Томсен. След няколко месеца двамата се женят. Семейството има две дъщери и син.

Шрифър преподава физика в Чикагския университет (1957-1960 г.), в университета на шата Илинойс (1959-1960 г.), в Пенсилванския университет (1962 г.), в университета “Корнел” (1969-1975 г.) и от 1975 г. - в Калифорнийския университет в Санта Барбара. Той се занимава също с изследване на магнитните свойства на материалите, със свойствата на сплавите и с повърхностните ефекти. В Пенсилванския университет Шрифър става един от съавторите на доклад, въз основа на който е създадена програма за афроамерикански изследвания. Готов да отстоява винаги своите мисли, ученият намира при всеки повод някаква саркастична реплика.

Шрифър има много награди, сред които наградата Комсток на американската Национална академия на науките (1968 г.), наградата Оливър Бахли на Американското физическо дружество (1968 г.) и медала Джон Ериксън на Американското дружество на шведските инженери (1976 г.). Той е почетен доктор на пет университета, член е на американската Национална академия на науките, на Американската академия на науките и изкуствата, на Американското философско дружество и на Датската кралска академия на науките и изкуствата.

Превод от руски: Павел Б. Николов