Квантовые явления в природе

(сверхпроводимость и новый магнетизм в минералах)

При низких температурах многие физические явления не описываются в терминах классической физики, а подчиняются законам квантовой механики. Более того, только при низких температурах наблюдаются такие квантовые эффекты, как сверхтекучесть, сверхпроводимость, бозе-эйнштейновская конденсация, и т.д. Особенно ярко с понижением температуры раскрывается магнетизм, демонстрируя богатейшую палитру экзотических явлений и необычных упорядоченных и неупорядоченных квантовых основных состояний.

Все эти эффекты наблюдаются как в природных, так и в искусственно созданных объектах. Однако, в природных объектах — минералах, красота физических явлений сочетается с красотой камня. Собственно, сверхтекучесть в минералах не наблюдается, хотя один из них, клевеит, сыграл важную роль в изучении этого явления. Как известно, впервые гелий был зарегистрирован в спектре излучения Солнца (отсюда, и название). Его первым земным источником стал диоксид урана (клевеит) UO2, возникающие в котором альфа-частицы и представляют собой ядра гелия. Вначале сверхтекучесть была обнаружена при Т = 2.17 К в изотопе гелия 4He, а затем при Т = 2.6 мК и в изотопе гелия 3He. Открытие каждого из этих эффектов, а также работы по их теоретической интерпретации удостаивались Нобелевских премий, причем роль российских ученых (в частности, выпускников и сотрудников Физического факультета МГУ) очень велика.

Сверхпроводимость, конечно, намного более распространенное явление, хотя и его можно трактовать как сверхтекучесть электронной жидкости. При гелиевых температурах она присутствует в 27 химических элементах и более чем в 1000 сплавов. Кроме того, при сравнительно высоких температурах сверхпроводимость наблюдается в ряде слоистых металлооксидных соединений. Наибольшая температура сверхпроводящего перехода в HgBa2Ca2Cu3O8+δ под давлением уже близка к земным температурам, наблюдаемым на «полюсах холода». В обнаружении сверхпроводимости в указанном соединении важную роль сыграли также работы ученых Московского университета.

Лишь единицы из известных к настоящему времени минералов (общим числом в несколько тысяч) обнаруживают сверхпроводимость. Наиболее известны из них два: миассит Rh17S15 и палладсеит Pd17Se15. Оба этих объекта переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах (Рис. 1a) и обладают очень сложной кристаллической структурой (Рис. 1b).

Рис. 1а. Сверхпроводимость в Rh17S15

Рис. 1b. Кристаллическая структура Rh17S15

Вызывает вопросы обнаруженное недавно «superconducting-like» поведение в минералах ковеллит CuS и клокманнит CuSe, поскольку указанные объекты внешне выглядят как полупрозрачные стекла (Рис. 2а,b).