«Мы были счастливы потому, что всё, что давали до сих пор туннельные эксперименты, полностью подтверждало теорию БКШ (так физики для краткости называют теорию Бардина, Купера и Шриффера. — И. Р.), а это совсем не то, что хотелось бы экспериментатору. Всякий экспериментатор мечтает показать, что общепризнанная теория неправильна, и в данном случае мы попали-таки в слабое место теории… Однако, как это часто случается, теоретики обратили наши результаты против нас. Они ловко использовали наличие изгибов на кривых, соответствующим образом обобщили теорию и доказали, что теория БКШ в действительности является правильной».
Любовь к переменам не изменила Гиаверу и на сей раз. Посчитав, что туннелирование в сверхпроводниках понято в основной своей части, Гиавер заскучал и перешёл к другим исследованиям.
«Затем кто-то познакомил меня с короткой заметкой Б. Джозефсона в журнале “Физикс леттерс” и спросил, что я думаю по этому поводу? Признаюсь, я не понял этой работы, но вскоре мне представился случай познакомиться с Джозефсоном в Кембридже, и эта встреча произвела на меня огромное впечатление. Один из эффектов, предсказанных Джозефсоном, состоял в том, что через барьер из окисла может проходить сверхпроводящий ток без падения напряжения, если металлы по обе стороны от барьера являются сверхпроводящими; это так называемый стационарный эффект Джозефсона.
Мы наблюдали этот эффект много раз… Однако у меня было уже готово объяснение этого явления — сверхпроводящий ток шёл по металлической закоротке или мостику. (Имеется в виду реальный туннель, металлический мостик, проходящий через слой окисла и соединяющий между собой оба сверхпроводника. — И.Р.) Таким образом, все образцы, которые показывали эффект Джозефсона, мы отбрасывали как имевшие закоротки. На этот раз я оказался слишком простодушен! С тех пор меня часто спрашивали, не ругал ли я себя за то, что проглядел этот эффект. Я твёрдо отвечаю “нет”, так как, чтобы сделать экспериментальное открытие, мало наблюдать какой-то эффект, нужно также понимать смысл и значение этого наблюдения, а в данном случае я и близко не подошёл к этому. Даже после того как я узнал о стационарном эффекте Джозефсона, мне казалось, что его нельзя отличить от эффекта закороток, поэтому я ошибочно считал, что только так называемый нестационарный эффект Джозефсона подтвердит или опровергнет теорию Джозефсона».
Мы ещё раз нашли подтверждение тому, что «открыть» не значит «увидеть», а значит — «понять»…
В заключительной части своего рассказа Гиавер сказал: «Я считаю, что дорога к научному открытию редко бывает прямой и что для удачи не обязательно быть большим специалистом. Более того, я убеждён, что часто новичок в данной области имеет больше шансов именно потому, что он невежда и не знает всех тех сложных причин, по которым данный эксперимент не следует ставить».
В других выражениях эту мысль ранее высказывал Эйнштейн.
В 1962 году Бриан Д. Джозефсон, студент-дипломник Кембриджского университета, изучая теорию сверхпроводимости, пришёл к удивительному выводу. Общеизвестная теория БКШ выбрала именно его, чтобы сказать ему: если два сверхпроводника разделены тонким диэлектрическим (изоляционным) слоем, то через этот непроводящий слой возможен туннельный переход. Удивительный туннельный переход, через который может протекать электрический ток, даже если к нему не приложено электрическое напряжение!
Ток без напряжения! Почему это так поразило Джозефсона? Ток, сколь угодно долго циркулирующий внутри замкнутого, не имеющего разрывов сверхпроводника без напряжения, приложенного к этому сверхпроводнику, был открыт Камерлинг-Оннесом ещё в 1911 году. Это стало привычным и уже никого не удивляло. При температуре жидкого гелия возможны всяческие чудеса. Много позже теория БКШ объяснила, как это происходит. Стало понятным: электроны, объединившись в пары и образовав коллектив, не испытывают сопротивления своему движению через сверхпроводник. Если нет сопротивления, то ток течёт даже в том случае, если не приложено напряжение.
Но ведь Джозефсон в свой работе натолкнулся на другой случай: на пути тока в сверхпроводнике имелось препятствие — диэлектрик, а каждый знает, что ток не может проходить сквозь диэлектрик.
Почему же диэлектрик в опыте Джозефсона перестал быть изолятором — препятствием для электрического тока?
Теория БКШ, объяснявшая многие тонкости сверхпроводимости, здесь скромно молчала.
В это время Кэмбридж посетил профессор П. В. Андерсон. В своих лекциях он говорил о том, что в сверхпроводниках нарушается обычная симметрия, характерная для электронов в металлах, находящихся в нормальном состоянии. Андерсон обратил внимание слушателей на теорию сверхпроводящего состояния, построенную Л. П. Горьковым, одним из учеников Ландау. В его теории содержится эта же идея.
Идея нарушенной симметрии настолько захватила Джозефсона, что он всё время спрашивал себя, можно ли каким-нибудь образом наблюдать её экспериментально.
Ответ, по существу, основывался на том, что часть из куперовских пар, совокупность которых образует сверхпроводящий ток, может проходить через достаточно тонкий слой диэлектрика.
Это, по существу, соответствует квантовому туннельному переходу частиц через энергетический барьер. При таком переходе частицы не обладают энергией, достаточной для того, чтобы они могли «перевалить» через барьер. Но для каждой из них существует определённая вероятность исчезнуть с одной стороны барьера и одновременно возникнуть с другой его стороны. Это и есть механизм прохождения куперовских пар сквозь энергетический барьер. Конечно, никакого реального проникновения частиц сквозь диэлектрик не происходит. В этом случае реального туннеля не возникает.
Этот эффект — проникновение куперовских пар сквозь потенциальный барьер, образованный тонким диэлектрическим слоем, разделяющим два сверхпроводника, — называют стационарным эффектом Джозефсона.
Стационарный эффект Джозефсона возможен при одном, но жёстком, ограничении. Стационарный джозефсоновский ток может быть только очень слабым и не должен превышать определённого — критического — значения.
Руководитель Джозефсона, профессор Пиггард, предложил ему попытаться обнаружить туннельный сверхпроводящий ток экспериментально. Результат был отрицательным. Тогда профессор Пиггард провёл расчёты, показавшие ему, что вероятность того, что два электрона могут одновременно туннелировать через изолирующий барьер, столь мала, что не приведёт к наблюдаемым эффектам. Он ошибся потому, что провёл расчёт для двух независимых электронов, а его ученик говорил о куперовской паре электронов. Ведь, образуя куперовскую пару, электроны ведут себя как одна частица, проходящая сквозь барьер, как единое целое.
Однако вскоре Андерсон понял причину неудачи эксперимента Джозефсона. Оказывается, шумы установки, предназначенной для измерения эффекта, были достаточными, чтобы в образцах, исследованных Джозефсоном, туннельный ток превышал критическое значение, при котором эффект исчезал. Вскоре Андерсон и Роувелл обнаружили стационарный эффект Джозефсона, проведя измерения на образцах с малым сопротивлением (в них мал мешающий шум).
Джозефсон задумался над тем, что произойдёт, если на туннельный переход наложить сразу два напряжения: постоянное и переменное? Он пришёл к выводу, что при этом постоянный сверхпроводящий ток будет изменяться скачками — ступеньками. Он будет следовать за частотой переменного тока. А частота, изменяясь, примет определённые значения, зависящие от отношения постоянной Планка к заряду электрона. Это было неожиданным предсказанием. «Смущающим обстоятельством во всей этой теории, — говорит Джозефсон, — было то, что предсказанные эффекты были слишком велики».
В течение некоторого времени имелись только косвенные доказательства существования предсказанного Джозефсоном переменного сверхпроводящего тока. Он сам пытался его обнаружить, но неудачно. Причина неудачи осталась неясной.
Этот эксперимент должен был стать второй главой дипломной работы Джозефсона, предполагаемое название которой было таким: «Два неудачных эксперимента по электронному туннелированию между сверхпроводниками». В первой главе должна была быть описана его неудачная попытка обнаружить предсказанный им стационарный эффект.
Гиаверу же удалось обнаружить переменный сверхпроводящий ток, используя метод, аналогичный тому, которым неудачно воспользовался сам Джозефсон. В том же 1965 году появилась статья советских учёных И. К. Янсона, В. М. Свистунова, И. М. Дмитриенко, сумевших наблюдать излучение сверхпроводящего тока при помощи обычного детектора.
Так, в ходе выполнения дипломной работы студент Джозефсон, используя всем известную теорию, сумел сделать на её основе два удивительных предсказания, не замеченных авторами теории и их последователями, и дважды потерпел неудачу при выполнении экспериментов.
Повторим эти предсказания. Первое: электрический ток может без сопротивления протекать не только через сверхпроводники, но и через разделяющий их тонкий слой диэлектрика. Это явление называют стационарным эффектом Джозефсона.
Второе: если между двумя сверхпроводниками существует тонкий промежуток, заполненный диэлектриком, то из этого промежутка могут излучаться электромагнитные волны, что указывает на присутствие там переменного тока. Это явление называют нестационарным эффектом Джозефсона. Эффекты Джозефсона стали не только большим вкладом в науку, ибо они впервые позволили наблюдать квантовые эффекты в макромире, но открыли возможность создания новых приборов, например чувствительных детекторов радиоволн, сверхчувствительных измерителей магнитного поля. Они явились основой нового естественного эталона единицы напряжения — вольта и новых методов определения точного значения фундаментальных постоянных, так как частота электромагнитного излучения, возникающего при нестационарном эффекте Джозефсона, тесно связана с отношением постоянной Планка к заряду электрона. Так студент-неудачник стал лауреатом Нобелевской премии.