X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Сверхпроводники – это материалы, электрическое сопротивление которых понижается до нуля при достижении определенной минусовой температуры (чаще всего – в несколько градусов выше абсолютного нуля). При этом материал переходит в сверхпроводящее состояние, приобретая определенные интересные свойства: например, могут «парить» в буквальном смысле, удерживаемые магнитным полем. Особенный интерес для физиков представляют сверхпроводники, способные работать при комнатных температурах. Их появление и производство произвело бы революцию в области материалов.

Возникновение сверхпроводящего состояния связывается с тем, что при температурах ниже точки перехода электрон локально искажает решетку, создавая область притяжения для другого электрона, при этом силы притяжения между ними будут превосходить силы отталкивания. Такие электронные пары будут находиться в одном квантовом состоянии. Результатом коллективного поведения пар является рассеяние отдельного электрона на примесях и переход в сверхпроводящее состояние.

Открытие сверхпроводимости. Исследования.

Явление сверхпроводимости открыто в 1911 г. Камерлинг-Оннесом, обнаружившем, что ртуть, охлажденная до температуры жидкого гелия (4,4 К), полностью теряет электрическое сопротивление. Позже было установлено, что сверхпроводимость возможна в олове, свинце и других металлах. К настоящему времени известно 35 металлов и более тысячи сплавов и химических соединений различных элементов, обладающих сверхпроводимостью.

Камерлинг-Оннес обнаружил, что при понижении температуры сопротивление большинства металлов стремится к постоянной величине, тогда как у некоторых металлов оно полностью исчезает при определенной, характеристической, температуре, которая, как выяснилось, зависит от напряженности магнитного поля. Эти эксперименты относятся к числу работ, за которые Камерлинг-Оннес был удостоен в 1913 г. Нобелевской премии по физике.

В течение более двух десятилетий именно исчезновение сопротивления считалось главной, отличительной чертой сверхпроводимости. Однако некоторые особенности этого явления приводили ученых в замешательство.

Так, если магнитное поле приложить к обычному проводнику (только не ферромагнетику), часть магнитного потока проходит через толщу проводника. Если же приложить его к идеальному проводнику, в последнем индуцируются поверхностные токи, которые создают внутри проводника магнитное поле, полностью компенсирующее приложенное внешнее поле, и тем самым поддерживают внутри проводника нулевое значение магнитного потока.

Это означало, что состояние проводника в магнитном поле зависит от того, каким способом это состояние было достигнуто – ситуация в высшей степени неприятная.

Позднее, в 1933 г., В. Мейснер, Р. Оксенфельд и Ф. Хайденрейх показали, что металл, становясь сверхпроводником, в действительности выталкивает магнитный поток, если температура понижается ниже критического значения, когда образец находится в магнитном поле.

Следующий этап исследования заключался в изучении вновь открытого состояния при больших значениях тока. Необходимость такого исследования была продиктована следующим обстоятельством: если бы сопротивление в действительности не равнялось нулю, то больший ток должен был бы приводить к большему, а следовательно, и легче регистрируемому значению разности потенциалов.

Однако полученные результаты лишь еще более запутали ситуацию, так как наблюдалось «особое явление: при любой температуре ниже 4,18 К для ртутной нити, заключенной в стеклянный капилляр, существовало некое пороговое значение плотности тока, при превышении которого характер явления резко изменялся. При плотностях тока ниже пороговой электрический ток проходит без сколько-нибудь заметных разностей потенциалов, приложенных к концам нити. Это говорило о том, что нить не обладает сопротивлением.

Как только плотность тока превосходила пороговое значение, появлялась и разность потенциалов, которая к тому же росла быстрее, чем сам ток». Затем была поставлена серия экспериментов с целью найти объяснение новому эффекту. Прежде всего было замечено, что пороговая плотность тока возрастала с понижением температуры – примерно пропорционально отклонению от температуры перехода в сверхпроводящее состояние (до тех пор, пока разность между температурами была не слишком велика). Естественно напрашивалось предположение, что из-за нагрева, обусловленного каким-то эффектом, температура ртути поднималась выше точки перехода. Была поставлена задача – найти этот источник тепла.

Используя различные конфигурации ртутной нити, удалось установить, что тепло не подводилось снаружи. Рассматривалось влияние примесей в ртути, хотя в процессе перегонки они должны были быть удалены; опыты показали, что эффект нагревания не связан с примесями, специально добавленными в нужных количествах.

Далее было высказано предположение, что, возможно, контакт ртутной нити с обычным проводником, в каком-либо виде, оказавшемся в ней или образованным внутри ее, способен аннулировать сверхпроводящие свойства ртути. Для проверки был взят стальной капилляр, но это не привело к каким-либо определенным результатам, и лишь в дальнейшем, в результате опытов того же типа на олове, это предположение было исключено. В целом эксперименты с ртутью не дали ответа на поставленный вопрос.

В 1933 году Мейснер, изучая переход в сверхпроводящее состояние, был поражен появлением своеобразного гистерезиса: возврат монокристалла олова в нормальное состояние происходил при температуре, слегка превышающей температуру перехода в сверхпроводящее состояние.

Этот эффект наблюдался даже тогда, когда сопротивление в каждой точке измерялось при двух направлениях тока методом, специально разработанным для исключения термоэлектрических явлений, если направление тока не изменялось, эффект усиливался. Гистерезис наводил на мысль о том, что явление связано с изменением проницаемости образца.

Мейснер писал об этом так: «Если бы распределение измеряемого тока и созданного им магнитного поля не изменялось, не было бы основания для возникновения гистерезисных явлений». Поэтому он вместе со своими сотрудниками предположения, что его проницаемость падает до нуля. Если бы это вообще имело место, то ни одна силовая линия поля не могла бы кончаться на внутренней поверхности полости сверхпроводника, тогда как эксперименты с очевидностью показывают, что ситуация именно такова.

Прошло немало лет, прежде чем удалось создать удовлетворительную теорию сверхпроводимости; по существу, этот вопрос не был окончательно решен даже в 1972 г. Однако открытие Мейснера по крайней мере позволило дать удовлетворительную макроскопическую трактовку наблюдаемых явлений.

Виды сверхпроводников и их свойства.

1. По температуре перехода в сверхпроводящее состояние:

Низкотемпературные (Т_с ниже 77 К).

В низкотемпературных сверхпроводниках электроны взаимодействуют через фононы – кванты тепловых колебаний положительно заряженных ионов, составляющих кристаллическую решетку металла. Ее искажение, возникающее при прохождении одного электрона, через несколько микросекунд оказывает влияние на его партнера. Таким образом, при испускании и поглощении фононов между электронами возникает слабое взаимное притяжение.

Высокотемпературные (Т_с от 77 до 135 К).

Все известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники являются оксидами, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Комнатные (293 К).

Отдельные зерна графита могут проявлять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре после обработки водой и выпекания в печи, что говорит о возможности достижения сверхпроводимости в нормальных условиях на практике. Но пока что в этой области сделано очень мало открытий.

2. По магнитным свойствам:

Сверхпроводники I рода.

Сверхпроводниками I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры и критической напряженности магнитного поля у них малы, что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера.

Сверхпроводники II рода.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Они переходят в сверхпроводящее состояние в некотором интервале температур. Значения критической температуры и напряженности у них меньше. В таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля.

Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки.

3. По общим свойствам:

Органические сверхпроводники (T_c= 11,5 К).

Соединения типа A-15, представляющие собой классические низкотемпературные сверхпроводники (T_c= 23,2 К).

Магнитные сверхпроводники или фазы Шеврёля, объединяющие ферромагнитные и антиферромагнитные сверхпроводники (T_c= 15 К и B_c = 60 Тл).

Тяжелые фермионы (T_c=18К) демонстрируют сосуществование сверхпроводимости с ферромагнитизмом и антиферромагнитизмом.

Оксидные сверхпроводники без меди – предшественники высокотемпературных сверхпроводников (T_c=31К), монокристаллы перовскитного диэлектрика – оксида вольфрама, легированного натрием (91 К).

Оксипниктиды – редкоземельные оксидные структуры без меди, (T_c=55К); также как и ВТСП имеют слоистую кристаллическую структуру и соответствующие проводящие плоскости FeAs.

Оксиды пирохлоров, представляющие группу минералов, содержащих титан, тантал и ниобий (T_c= 9,6 К).

Рутенокупраты – ближайшие структурные родственники ВТСП, в которых сверхпроводимость сосуществует с ферромагнетизмом (T_c= 50 К).

Высокотемпературные сверхпроводники – сверхпроводящие купраты, в которых сверхпроводимость осуществляется по плоскостям CuO₂, (T_c= 166 ± 1,5 K).

Редкоземельные борокарбиды (T_c= 23 К).

Кремниевые сверхпроводники (при высоком избыточном давлении T_c= 14 К).

Халькогениды – структуры на основе серы и селена (T_c= 4,15 К).

Углеродные сверхпроводники – фуллеренные структуры (T_c= 40 К).

MgB₂ и родственные структуры (T_c=39К) – дешевые и широкодоступные материалы.

4. По типу кристаллических решеток:

Мягкие – чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

Твердые – сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Обладают рядом особенностей:

при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит на протяжении некоторого температурного интервала;

имеют высокую Т_с;

некоторые имеют относительно высокие значения критической магнитной индукции В_кр;

при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

5. По технологическим свойствам:

сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты;

трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии.

Применение сверхпроводников.

Спектр применений сверхпроводников удобно разделить на:

Различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.

Микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей, цифровая электроника, искусственные биологические системы.

Макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.

В силовых применениях сверхпроводники позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования. Высокая плотность тока в сверхпроводниках позволяет уменьшать размеры оборудования, а также создавать магнитные поля высокой интенсивности, недостижимые обычной аппаратурой. Ограничивающим фактором является необходимость поддержания проводника при низкой температуре, что само по себе требует энергозатрат, поэтому наиболее актуальны применения в устройствах большой мощности. В этом случае затраты на криообеспечение пренебрежимо малы.

В настоящее время промышленность США уже имеет коммерческие ВТСП (высокотемпературная сверхпроводимость) изделия –трансформаторы, электрические моторы, токоограничители и силовые кабели. С ростом производства изготовители ВТСП кабелей будут способны установить их во всех электросетях США. ВТСП кабели имеют целый ряд преимуществ в сравнении с традиционными, включая более низкие потери, меньший вес, более компактные размеры. ВТСП кабели не воздействуют на окружающую среду – они не излучают электромагнитные поля, в них не используют для охлаждения при подземной прокладке технические масла, как в случае традиционных кабелей. Исключение суммы потерь (4 млрд. долл. ежегодно) может компенсировать относительно высокую на данное время стоимость ВТСП кабеля.

Не так давно в Тель-Авивском университете прошла презентация проекта Superconductivity Group, которая наглядно показала, что эта мечта может сбыться.

Суть квантовой левитации состоит в том, что благодаря правильному использованию физических свойств сверхпроводников их возможно не просто удержать в воздухе, но и заставить двигаться над и даже под магнитными "рельсами" с умопомрачительной скоростью.

Несмотря на кажущуюся простоту, трение остается дискуссионной и плохо изученной проблемой. В частности, отсутствие ясной взаимосвязи между трением на микро- и макроскопическом уровне не позволяет вывести фундаментальный закон, позволяющий одинаково правильно описывать это явление на разных масштабах.

С изобретением в 1986 году атомно-силового микроскопа с кантилевером с микроскопической иглой на конце исследование трения переместилось на атомарный уровень, а сама наука о силе трения превратилась в нанотрибологию.

Оказалось, что прояснить ситуацию помогает явление сверхпроводимости.

Неконтактное трение имеет двойную природу: электронное трение и фононное.

Парное объединение электронов при сверхпроводимости проводимости приводит к тому, что они начинают вести себя как единое целое. Благодаря этому единству электроны без потерь энергии двигаются через кристаллическую решетку, игнорируя ее сопротивление.

Значит, если электроны становятся невосприимчивы к препятствиям на своем пути, они не будут реагировать и на внешний раздражитель в виде иглы микроскопа. Следовательно, в системе «игла кантилевера — сверхпроводящая поверхность» вклад в трение будет давать лишь фононная часть, а электронная будет равна нулю.

Возможность существования сверхпроводимости при комнатной температуре и выше обосновали лауреат Нобелевской премии В.Л.Гинзбург и У. Литтл. Ими показано, что одной из самых важных проблем в области нанотехнологии является создание комнатнотемпературных сверхпроводников (КТСП). Нанотехнология КТСП позволяет конструировать искусственные слоистые сверхпроводниковые наноструктуры, нанося атомные слои не только из тех материалов, у которых параметры кристаллической решетки близки друг к другу. При нанотехнологии можно использовать гораздо большее разнообразие проводников и диэлектриков, нанося их монослои с атомной точностью для создания искусственных электронного и фононного спектров, необходимых для КТСП. Именно это позволяет сделать исследования и производство сверхпроводящих материалов неким “полигоном” для отработки нанотехнологических методов для сильно коррелированных структур. Поэтому, создание КТСП - это, в значительной мере, нанотехнологическая проблема и, на мой взгляд, одна из важнейших.

В настоящее время сверхпроводник, работающий при комнатных температурах, может быть изготовлен как в объемном, так и в пленочном виде.

Будущее сверхпроводников

Через 10-20 лет сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение СП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так и к изменениям структурного характера и к появлению совершенно новых технологических нововведений.

Одним из самых перспективных направлений является комнатная сверхпроводимость. Оно будет усиленно развиваться, т.к. имеет огромное значение.

В электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии. Еще одно перспективное применение сверхпроводников – в генераторах тока (от мощных электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также и в самолетах и на автомобильном транспорте.

Строительство сверхпроводящей железной дороги запланировано в Японии. За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд будет двигаться плавно, без шума и трения и будет способен развивать очень большую скорость. Ожидается, что дорога будет введена в эксплуатацию к 2020 г.

Возможность ускорения макроскопических объектов электромагнитным полем найдет свое применение также на аэродромах и космодромах, где СП-магниты будут обеспечивать взлет/посадку воздушным судам и космическим кораблям. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Информационные источники

http://www.nado5.ru/e-book/sverkhprovodimost (Дата обращения 14.12.17)

https://elementy.ru/bookclub/chapters/430825/430828?SSL=1&SSL (Дата обращения 14.12.17)

http://schoolnano.ru/node/5337 (Дата обращения 14.12.17)

http://www.electrolibrary.info/history/sverkhprovodimost.htm (Дата обращения 14.12.17)

http://ftemk.mpei.ac.ru/foetm/files/foetm_book02/foetm_text210.htm (Дата обращения 14.12.17)

https://hi-news.ru/tag/sverxprovodniki (Дата обращения 14.12.17)

Код для цитирования: Скопировать