XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Актуальность. Сегодня сверхпроводимость – это одна из наиболее изучаемых областей физики, явление, открывающее перед инженерной практикой серьёзные перспективы. Большое распространение получили приборы, основанные на явлении сверхпроводимости, без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни космонавтика.

История открытия.

Великие научные открытия нередко делаются в процессе осуществления вполне традиционных исследовательских проектов. Именно это произошло 8 апреля 1911 года в криогенной лаборатории Лейденского университета, которую семнадцатью годами ранее основал и возглавил профессор экспериментальной физики Хейке Камерлинг-Оннес. Вместе с ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом он изучал электрические свойства металлов, охлажденных до температур жидкого гелия. В тот судьбоносный день исследователи обнаружили, что тонкий провод из сверхчистой ртути при охлаждении до 3 градусов Кельвина практически перестает сопротивляться электрическому току. Камерлинг-Оннес прекрасно знал, что его открытие не поддается объяснению с точки зрения тогдашних физических теорий. Его главный — и очень глубокий — вывод состоял в том, что ртуть перешла в новое состояние, которое он назвал сверхпроводящим. Этот термин впервые появился в записных книжках Камерлинг-Оннеса; потом, в начале 1913 года, в его журнальной статье, а через несколько месяцев и в Нобелевской лекции. С тех пор он занимает почетное место в языке физики. Удовлетворительное объяснение данного явления, отмечено именами и других ученых: американских физиков Л.Купера, Дж. Бардина, Дж.Шриффера, советского математика и физика Н.Н.Боголюбова. Практическое использование данное явление получило в серединешестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений.

Изучение сверхпроводимости.

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов 23К, а также у керамик ( 77,4 К – высокотемпературные сверхпроводники.) Синтезом всё новых и новых материалов уже удалось поднять сверхпроводимость до 160 К (почти –100 °C).В составе всех этих высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) обязательно присутствуют ионы меди Сuª, которые служат как бы микроскопическими магнитами. Сверхпроводимость материалов с 23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, с противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии, они не подчиняются статистике Ферми (увеличение энергии основного состояния системы при добавлении одной частицы)т.к. имеют целочисленный спин(собственный момент импульса) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с какими-либо другими частицами. У сверхпроводимости три врага: высокие температуры, мощные магнитные поля и большие токи. Если их величины превысят предельные значения, называемые критическими, сверхпроводимость исчезает, сверхпроводник становится обычным проводником.

Классификация сверхпроводников.

По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряженность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем. У сверхпроводников второго рода существует промежутокнапряженности магнитного поля, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.

Модельное представление.

Сверхпроводимость до сих пор привлекает к себе пристальное внимание со стороны физиков-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 кристаллическую структуру исследовать, вообще говоря, легче, чем трехмерную, пространственную; одномерную, линейную- проще, чем двухмерную. Вот почему, рассуждая о сверхпроводимости, 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 обобществления электронов еще выше: каждый из них в равной мере принадлежит всем атомам цепочки и может свободно перемещаться вдоль нее. Эту особенность сопряженных связей в основной цепи полимерной молекулы Литлл полагал важной предпосылкой для перехода в сверхпроводящее состояние. Необходимой для перехода он считал и особую 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, близкой 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 образом, перейти в сверхпроводящее состояние не способен. Но энтузиазм, рожденный смелой идей, дал свои плоды, пускай и не там, где они предвиделись на первых порах.

Обнаружение сверхпроводимости не в металлах.

Сверхпроводимость была-таки обнаружена за пределами мира металлов. В 1980 году в Дании группа исследователей под руководством К. Бекгарда, экспериментируя с органическим веществом из класса ион-радикальных солей, перевела его в сверхпроводящее состояние при давлении 10 килобар и температуре на 0,9 градуса выше абсолютного нуля. 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 принормальномдавлении. 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 составляет 1,92,2 г/см.

Применение сверхпроводимости

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 хладагента, высокие энергозатраты на его ожижение, сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции по целому ряду направлений началось практическое использование сверхпроводимости. Наиболее крупномасштабными применениями сверхпроводников явились электромагниты ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок. Были созданы опытные образцы сверхпроводниковых электрогенераторов, линий электропередачи, накопителей энергии, магнитных сепараторов и др. В последние годы в различных капиталистических странах началось массовое производство диагностических медицинских томографов со сверхпроводниковыми магнитами, потенциальный рынок которых 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 стоимость хладагента 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.

Перспективы ВТСП.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) были открыты в 1986 г, и сейчас на них исследователи возлагают большие надежды. Критическая температура для ВТСП из иттриевой керамики составляет 89 К, и достигает еще более высоких значений для других сверхпроводящих соединений (см. рис. 1). Однако на настоящее время все ВТСП, которые проявляют сверхпроводимость при нормальном давлении, проявляют свои сверхпроводящие свойства при азотном охлаждении. Однако ученые не оставляют надежду на создание ВТСП, работающие при комнатных температурах, что откроет широкие горизонты для их применения.

Рис.1 – Температурная зависимость сопротивления ВТСП[6]

Только время позволит судить о том, сделает ли научное открытие жизнь людей лучше. Кроме того профессионал в области фундаментальных исследований может, как правило, претендовать только на статус любителя по части их практических приложений. Тем не менее, возможно указать на некоторые перспективы:

-когда рассматривался как ВТСП карбин то мечты о его высокотемпературной сверхпроводимости можно было считать беспочвенными: уж очень схож карбин по своей структуре с тем полимером, который предлагал Литлл и который был отвергнут как экспериментаторами, так и теоретиками. Зная это, хотелось бы напомнить, что в науке порой складывались ситуации, образно описываемые древним изречением:«Камень, который отвергли строители,–тот самый сделался главою угла».Создание конкретных технических изделий на основе ВТСП материалов наиболее реально в ближайшее время именно в слаботочной технике, т.е. в микроэлектронике и вычислительной технике.

Предполагается разработка и освоение серийного производства трех классов электронных сверхпроводниковых приборов:
- СКВИДы (приборы на основе джозефсоновских переходов) как детекторы слабых магнитных полей для применения в медицине (магнито-энцефалография), геологии и геофизике (поиск полезных ископаемых, изучение геологического строения земной коры, прогноз землетрясений), материаловедении (неразрушающий контроль материалов, конструкций), военной технике (обнаружение магнитных аномалий, в частности, глубинных подводных лодок), научных исследованиях, связи и навигации.

Широкое освоение и внедрение СКВИД магнитометрического метода измерений позволит в короткий срок качественно изменить многие виды измерительной техники, повысить в сотни и более раз чувствительность приборов и точность измерений.
- Аналого-цифровые приборы (АЦП), использующие сверхбыстрые (доли пикосекунды) переключения от джозефсоновского к "гиверовскому" режиму работы, для применений в новейших системах связи, цифровых вычислительных устройствах для обработки и анализа аналоговых сигналов. - Приборы, основанные на эффекте появления на джозефсоновском переходе постоянного напряжения при подаче на него СВЧ сигнала, для использования в прецизионных измерительных системах (например, эталон Вольта).Широкое применение ВТСП найдет в вычислительной технике. Уже в настоящее время разработаны, изготовлены и испытаны макеты ячейки памяти, сверхчувствительный элемент считывания на ВТСП пленках с кратным снижением энерговыделения по сравнению с полупроводниковыми усилителями считывания, сверхскоростные линии связи, которые позволят увеличить производительность систем в 10 - 100 раз. Внедрение ВТСП в вычислительную технику даст кратное увеличение ее быстродействия и степени интеграции. Так, переход на ВТСП соединения и снижение рабочей температуры полупроводниковых супер ЭВМ позволит повысить их производительность с 10⁹ до 10¹² операций/сек. Одной из перспективных областей применения ВТСП является космическая техника – бортовые и "забортовые" измерительная аппаратура и вычислительные системы (возможна работа без специальных устройств охлаждения, так как "теневая" температура у спутников - 90 К). При этом при переходе на ВТСП удельная масса охлаждающей системы снизится в 50 раз, объем уменьшится в 1000 раз, надежность возрастет в 10 раз. Широкие перспективы использования ВТСП открываются в СВЧ-технике и в создании датчиков видимого и ИК диапазона с высокой чувствительностью.

Рис.2. – Устройство ВТСП – кабеля[7]

Заключение

Таким образом, вполне очевидно, что достижения в области сверхпроводимости являются ключевыми для энергетики, электроники, физики высоких энергий, воздушного, наземного и морского транспорта, космонавтики, медицины и многих других областей. Успешное использование прикладной сверхпроводимости может стать одним из главных ответов на возникающие потребности общества. Оно приобретает даже более важное значение, чем развитие возобновляемых источников энергии: солнечной, геотермальной, атомной, а также энергии воды и ветра. Что уж тут говорить о не возобновляемых источниках энергии, которые рано или поздно иссякнут. Более того, сверхпроводимость опосредованно найдет свое применение и во многих гуманитарных областях.

В заключение отмечу, что еще в 2001 г. К.Х. Рознер сделал сравнительный прогноз по поводу применения низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников в ближайшие десятилетия. Из него следовало постепенное сравнительное увеличение использования высокотемпературной сверхпроводимости над низкотемпературной, вызванное преимуществами работы ВТСП устройств при более высоких температурах эксплуатации, что обеспечивает соответствующее понижение финансовых и технологических затрат. При этом, однако, предполагалось сохранение преимуществ низкотемпературных сверхпроводящих металлов и сплавов, обусловленных их гораздо меньшей дефектностью по сравнению с хрупкой оксидной структурой ВТСП. Прошедшее десятилетие показало, что пока еще ВТСП изделия остаются слишком дорогими для практики, и лишь немногие образцы (например, токовводы и томографы) являются конкурентоспособными.

Список литературы:

1.Г.Н. Кадыкова «Сверхпроводящие материалы» М. МИЭМ 2005г.

Журналы:

2. «Наука и жизнь»: №2,2006г.; №9,2006г.; №5 2007г.; №9,2009г.

3.Боголюбов Н.Н., Толмачёв В.В., Ширков Д.В. «Новый метод в теории сверхпроводимости» - М.: Изд-во АН СССР, 1958.

4. https://goo-gl.ru/PTW79

5.https://med.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/87739

6. https://fr.slideserve.com/kelton/4408130

7. https://www.atomic-energy.ru/news/2019/03/26/93535

Код для цитирования: Скопировать