8 апреля 1911 года, Лейден. - в лабораторной тетради профессора Хейке Камерлинг‑Оннеса появляется сухая фраза по‑нидерландски: Kwik nagenoeg nul — «Ртуть (сопротивление) практически ноль». Так была пересечена невидимая граница — металлическая проволока из застывшей ртути вдруг перестала сопротивляться электрическому току. В тот момент никто не произносил высоких слов, но в истории физики открылась новая глава — сверхпроводимость. Подробная реконструкция эксперимента подтверждает: критическое падение сопротивления наступило при температурах около 4,2 К, а запись в «тетради № 56» сделана именно в этот день.
Как готовили «чудо нулевого сопротивления»
За три года до этого, 10 июля 1908‑го, Лейден на несколько часов стал «самым холодным местом на Земле»: Оннес первым сжижил гелий. Это дало в его распоряжение устойчивую «ступень холода» с температурой кипения около 4,2 К, без которой прозреть сверхпроводимость было бы невозможно. Его доклад в Нидерландской королевской академии наук за 1908/1909 гг. фиксирует технологию сжижения и сам факт достижения гелиевых температур.
К 1911‑му в Лейдене довели до совершенства отдельный криостат: стеклянные сифоны для перекачки гелия, «термометр гелия» и тщательно очищенные образцы металлов. Именно на этой установке ртутный образец «обнулился», а запись в журнале с лаконичной надписью Kwik nagenoeg nul стала исторической.
Что именно увидели Оннес и его команда
В первых сериях опытов сопротивление ртутного образца «проваливалось» скачком — ниже чувствительности измерительной схемы. Повторные измерения показали:при нагревании рост сопротивления начинался около 4,1–4,2 К. Осенью 1911 года Оннес публикует заметку «О внезапном изменении скорости, с которой исчезает сопротивление ртути» — теперь уже официально объявляя о феномене, который вскоре назовут «сверхпроводимостью».
Через несколько лет Оннес демонстрирует ещё одно свойство: постоянные токи в замкнутом сверхпроводящем контуре. В 1914‑м в свинцовом кольце при 1,8 К ток порядка 0,6 А не убывал заметно в течение часа — прямой опытный довод, что сопротивление действительно исчезает.
Почему сверхпроводимость — не просто «идеальная проводимость»
Сегодня мы различаем «идеальный проводник» (с нулевым сопротивлением) и сверхпроводник, который к тому же вытесняет магнитное поле из объёма. Этот эффект обнаружили в 1933 году Вальтер Мейсснер и Роберт Оксенфельд: при охлаждении олова и свинца ниже критической температуры из образца «уходит» магнитный поток. Именно эффект Мейсснера сделал сверхпроводимость термодинамически новым состоянием материи.
Металлы как сверхпроводники: от «тип I» к «тип II»
Большинство простых металлов (свинец, олово, алюминий, ртуть) — сверхпроводники типа I: у них один критический магнитный предел и резкий переход в нормальное состояние. Это классически «лейденские» герои ранней сверхпроводимости.
Есть и исключения. Например, ниобий — чистый элемент, но сверхпроводник типа II, способный выдерживать существенно более сильные поля; к тому же у него самая высокая критическая температура среди простых элементов — около 9,2 К. Благодаря этому ниобий и его сплавы стали рабочими лошадками прикладной сверхпроводимости.
Именно поэтому магниты крупных установок (от МРТ‑сканеров до ускорителей) наматывают из Nb‑Ti или Nb₃Sn. Ещё Оннес мечтал о «стотысячегауссных» магнитах; сегодня восьмити́славые магниты Большого адронного коллайдера на Nb‑Ti — уже будничная реальность.
Наука после открытия: от изотопного эффекта к BCS
Что «склеивает» электроны в пары и даёт нулевое сопротивление? Ключ подвёл изотопный эффект (1950): температура перехода у ртути менялась с атомной массой — прозрачный намёк на роль колебаний решётки (фононов). Эти работы стали дорогой к микроскопической теории.
В 1957 году Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер опубликовали знаменитую BCS‑теорию, показав, как слабое притяжение электронов через виртуальный обмен фононами ведёт к «конденсату» куперовских пар и сверхпроводящему зазору. Для многих металлов и их сплавов это — базовое объяснение сверхпроводимости.
Малозаметная деталь: в тот же день заметили и «сверхтекучесть»
Записи в лабораторном журнале Оннеса за 8 апреля 1911‑го сообщают и о странном «переставшем кипеть» гелии при ~2,2 К — не узнанном тогда λ‑переходе к сверхтекучему состоянию гелия‑4. Это одно из самых красивых совпадений в истории низких температур: две квантовые фазы были увидены в одном зале в один день.
«Через измерение — к знанию»
Девиз Оннеса — Door meten tot weten («Через измерение — к знанию») — не был пустой формулой. Он построил лабораторию‑фабрику с собственной школой стеклодувов, превратил криогенику в точную технологию и за эти работы получил Нобелевскую премию по физике 1913 года «за исследования свойств веществ при низких температурах, приведшие, в частности, к получению жидкого гелия».
Что это значит сегодня
Сверхпроводники‑металлы типа I (Pb, Sn, Hg, Al) — классика лаборатории и учебников. Но именно металлическая нитка Оннеса открыла дорогу к инженерным сплавам типа II и межметаллическим соединениям (Nb‑Ti, Nb₃Sn), на которых держатся магниты ускорителей, ядерно‑магнитного резонанса, системы магнитного левитирования и квантовые датчики. Оннес интуитивно верил в практику — и оказался прав: «нулевое сопротивление» стало не экзотикой, а частью инфраструктуры большой науки и современной медицины
Открытие Оннеса — не единичный «фейерверк», а точка сборки: точные измерения, смелая инженерия холодов, чистые металлы, кристальная экспериментальная дисциплина. В этом сплаве и родилась физика сверхпроводимости — на ртутной «проволоке», в которой однажды ток потёк без сопротивления. И с тех пор — уже не остановился.