Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы

Cверхпроводники: история развития, современное

состояние и перспективы

Открытие в конце 1986 года нового класса высокотемпературных сверхпроводящих материалов радикально расширяет возможности практического использования сверхпро-водимости для создания новой техники и окажет революционизирующее воздействие на эффективность отраслей народного хозяйства.

Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления про-водника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто нидерланд-ским физиком Х.Камерлинг-Оннесом в 1911 году, а удовлетворительное объяснение, отмеченное именами американских физиков Л.Купера, Дж.Бардина ,Дж.Шриффера, со-ветского математика и физика Н.Н.Боголюбова, получило практическое использование этого явления в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверх-проводящие материалы, пригодные для технических применений - настолько трудна бы-ла проблема.

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соеди-нений и сплавов (Тк  23К), а также у керамик (Тк > 77,4К – высокотемпературные сверхпроводники.)Синтезом всё новых и новых материалов уже удалось поднять сверх-проводимость до 160 К(почти –100 °C.В составе всех этих высокотемпературных сверх-проводников ВТСП обязательно присутствуют ионы меди Сu²ª(роль их в возникнове-нии сверхпроводимости пока не ясна ), которые служат как бы микроскопическими маг-нитами.Сверхпроводимость материалов с Тк  23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, с противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебания-ми ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с ка-ким-либо другими квазичастицами.У сверхпроводимости три врага: высокие температу-ры, мощные магнитные поля и большие токи.Если их величины превысят предельные значения, называемые критическими, сверхпроводимость исчезает, сверхпроводник ста-новится обычным проводником.По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводни-ки делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают» по-следнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейссне-ра).Напряжонность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Нк.У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля Нк2 > Н > Нк1, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.Нк1 – нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее критическое поле. Н < Нк1 – индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2 – сверхпрово-димость нарушается.Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой: (критический ток).Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит Нк1, вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под дей-ствием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к по-тере сверхпроводимости.

Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений:

Вещество Тк К 0Нк1 Тл 0Нк2 Тл

Pb 7.2 0.55

Nb 9.2 0.13 0.27

Te 7.8

V 5.3

Ta 4.4

Sn 3.7

V3Si 17.1 23.4

Nb3Sn 18.2 24.5

Nb3Al 18.9

Nb3Ga 20.3 34.0

Nb3Ge 23.0 37.0

(Y0.6Ba0.4)2CuO4 96 16020

Y1.2Ba0.3CuO4-8 102 18 при 77К

Сверхпроводимость до сих пор привлекает к себе пристальное внимание со стороны фи-зиков-теоретиков.Ввиду сложности явления разрабатываются как можно более простые модели, из которых были бы предельно ясны его основные черты. Одно из упрощений связано с понятием размерности.Интуитивно ясно, что двухмерную, плоскую кристали-ческую структуру исследовать, вообще говоря, легче, чем трёхменую, пространственную; одномерную, линейную- проще, чем двухмерную. Вот почему, рассуждая о сверхпрово-димости, теоретики часто обращаются к модели так называемого одномерного кристалла. Его частицы взаимодействуют друг с другом лишь в одном каком-то направлении, а в двух других, поперечных направлениях взаимодействие между частицами пренебрежимо малы.

В рамках такой модели американский физик У.Литлл в 1964 году выдвинул смелое предположение: возможны сверхпроводники не металлической, а органической природы. Важное место в своих рассуждениях Литлл отводил полимерным молекулам, в основной цепи которых есть чередующиеся единичные и кратные связи (химики называют такие связи сопряжёнными). Дело в том, что каждая химическая связь, соединяющая атомы,- это пара принадлежащих им обоим электронов. В цепочке сопряженных связей степень обобщестления электронов еще выше: каждый из них в равной мере принадлежит всем атомам цепочки и может свободно перемещаться вдоль нее. Эту особенность сопряжен-ных связей в основной цепи полимерной молекупы Литлл полагал важной предпосылкой для перехода в сверхпроводящее состояние. Необходимой для перехода он считал и осо-бую структуру ответвлений от основной цепи. Составив проект своего полимера, ученый заключил: вещество с такими молекулами обязано быть сверхпроводящим; более того - в это состояние оно должно переходить при не очень низкой температуре, возможно, близ-кой к комнатной.

Проводники, свободные от всяких энергетических потерь при совершенно обычных условиях, конечно же, совершили бы революцию в электротехнике.Идея американского физика была подхвачена во многих лабораториях различных стран.

Однако довольно быстро выяснилось, что придуманный Литллом пример никоем об-разом перейти в сверхпроводящее состояние не способен. Но энтузиазм рожденный сме-лой идей ,дал свои плоды, пускай и не там, где они предвиделись на первых порах. Сверхпроводимость была таки обнаружена за пределами мира металлов. В 1980 году в Дании группа исследователей под руководством К. Бекгарда, эксперементируя с органи-ческим веществом из класа ион-радикальных солей, перевела его в сверхпроводящее состояние при давлении 10 килобар и температуре на 0,9 градуса выше абсолютного ну-ля. В 1983 году коллектив советских физиков , возглавляемый доктором физико-математических наук И.Ф. Щеголевым, добился от вещества того же класса перехода в сверхпроводящее состояние уже при 7 градусах абсолютной шкалы температур и при нормальном давлении.В ходе всех этих поисков и проб вниманием исследователей не был обойден и карбин.( Карбин - органическое вещество, крайне редко встречающееся в природе. Структура которого - бесконечные линейные цепочки из атомов углерода.Свою структуру сохраняет при нагреве до 2000 С , а затем, начиная примерно с 2300 С, она перестраивается по типу кристаллической решётки графита.Плотность карбина составля-ет 1,92,2 г/см³.

(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))

В связи с тем, что критические температуры этих материалов не превышали 20 К, все созданные сверхпроводниковые устройства эксплуатировались при температурах жидкого гелия, т.е. при 4-5 К. Несмотря на дефицитность этого хладоагента, высокие энергозатраты на его ожижение, сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции по целому ряду направлений началось практическое использование сверхпроводимости. Наиболее крупномасштабными применениями сверхпроводников явились электромагни-ты ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок, МГД-генераторов. Были созданы опытные образцы сверхпроводниковых электрогенераторов, линий электропере-дачи, накопителей энергии, магнитных сепараторов и др. В последние годы в различных капиталистических странах началось массовое производство диагностических медицин-ских ЯМР-томографов со сверхпроводниковыми магнитами, потенциальный рынок кото-рых оценивается в несколько млрд. долларов.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура которых с запасом превышает температуру кипения жидкого азота, принципиально меняет экономические показатели сверхпроводниковых устройств, поскольку стои-мость хладоагента и затраты на поддержание необходимой температуры снижаются в 50-100 раз. Кроме того, открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сняло теоретический запрет на дальнейшее повышение критической температуры с 30 - вплоть до комнатной. Так, со времени открытия этого явления критическая температура повышена с 30 - 130 К.

Эффект Джозефсона.

Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым» контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельный сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящих куперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны между собой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар даже через очень тонкий слой изолятора.

Наличие связи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парами состоя-ние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз =1 - 2, тогда из квантовой механики следует . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера