Самый высокотемпературный сверхпроводник. Низкотемпературная и высокотемпературная сверхпроводимость

Главная

По литературе

Сегодня увидел и обсуждение под ним. Учитывая, что сегодня же я был на производстве сверхпроводящих кабелей, хотел вставить пару замечаний, но read-only… В итоге решил написать небольшую статью про высокотемпературные сверхпроводники.

Для начала, на всякий случай, хочется отметить, что сам термин «высокотемпературный сверхпроводник» означает сверхпроводники с критической температурой выше 77 К (-196 °C) - температуры кипения дешёвого жидкого азота. Не редко к ним относят и сверхпроводники с критической температурой около 35 К, т.к. такую температуру имел первый сверхпроводящий купрат La 2-x Ba x CuO 4 (вещество переменного состава, отсюда и x). Т.е. «высокие» температуры тут пока ещё очень низкие.

Основное распространение получило два высокотемпературных сверхпроводника - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) и Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Также применяются схожие с YBCO материалы, в которых иттрий заменён иным редкоземельным элементом, например гадолинием, их общее обозначение - ReBCO.
Выпускаемые YBCO, да и другие ReBCO, имеют критическую температуру на уровне 90-95 К. Выпускаемые BSCCO достигают критической температуры в 108 К.

Кроме высокой критической температуры, ReBCO и BSCCO отличаются большими значениями критического магнитного поля (в жидком гелии - более 100 Тл) и критического тока. Впрочем, с последним всё не так просто…

В сверхпроводнике электроны движутся не независимо, а парами (Куперовскими парами). Если мы хотим, чтобы ток перешёл из одного сверхпроводника в другой, то зазор между ними должен быть меньше характерного размера этой пары. Для металлов и сплавов этот размер составляет десятки, а то и сотни нанометров. А вот в YBCO и BSCCO он составляет лишь пару нанометров и доли нанометра, в зависимости от направления движения. Даже зазоры между отельными зёрнами поликристалла оказываются уже вполне ощутимым препятствием, не говоря уж о зазорах между отдельными кусками сверхпроводника. В результате сверхпроводящая керамика, если не предпринимать специальных ухищрений, способна пропускать через себя лишь относительно небольшой ток.

Проще всего проблему оказалось решить в BSCCO: его зёрна естественным образом имеют ровные края, а самое простое механическое сжатие позволяет эти зёрна упорядочить для получения высокого значения критического тока. Это позволило достаточно быстро и просто создать первое поколение высокотемпературных сверхпроводящих кабелей, а точнее - высокотемпературных сверхпроводящих лент. Они представляют собой серебряную матрицу, в которой есть множество тонких трубочек, заполненных BSCCO. Эту матрицу расплющивают, при этом зёрна сверхпроводника приобретают нужный порядок. Получаем тонкую гибкую ленту, содержащую множество отдельных плоских сверхпроводящих жил.

Увы, BSCCO материал далеко не идеальный: у него критический ток очень быстро падает с ростом внешнего магнитного поля. Критическое магнитное поле у него достаточно велико, но задолго до достижения этого предела, он теряет способность пропускать сколько-нибудь большие токи. Это очень сильно ограничивало применение высокотемпературных сверхпроводящих лент, заменить старые добрые сплавы ниобий-титан и ниобий-олово, работающие в жидком гелии, они не могли.

Совсем другое дело - ReBCO. Но создать в нём правильную ориентацию зёрен весьма тяжело. Лишь относительно недавно научились делать сверхпроводящие ленты на основе этого материала. Такие ленты, называемые вторым поколением, получают напылением сверхпроводящего материала на подложку, имеющую специальную текстуру, задающую направление роста кристаллов. Текстура, как не сложно догадаться, имеет нанометровые размеры, так что это настоящие нанотехнологии. В московской компании «СуперОкс», в которой я собственно и был, для получения такой структуры на металлическую подложку напыляют пять промежуточных слоёв, один из которых одновременно с напылением распыляется потоком быстрых ионов, падающих под определённым углом. В результате кристаллы этого слоя растут только в одном направлении, в котором ионам сложнее всего их распылять. Другие производители, а их в мире четыре, могут использовать иные технологии. Кстати, отечественные ленты используют гадолиний вместо иттрия, он оказался технологичнее.

Сверхпроводящие ленты второго поколения шириной 12 мм и толщиной 0,1 мм в жидком азоте при отсутствии внешнего магнитного поля пропускают ток до 500 А. Во внешнем магнитном поле 1 Тл критический ток всё ещё доходит до 100 А, а при 5 Тл - до 5 А. Если охладить ленту до температуры жидкого водорода (ниобиевые сплавы при такой температуре ещё даже не переходят в сверхпроводящее состояние), то та же лента сможет пропустить 500 А в поле 8 Тл, а «какие-нибудь» 200-300 А - в поле на уровне пары десятков тесла (лягушка летает). Про жидкий гелий и говорить не приходится: есть проекты магнитов на этих лентах с полем на уровне 100 Тл! Правда тут уже в полный рост возникает проблема механической прочности: магнитное поле всегда стремится разорвать электромагнит, но когда это поле достигает десятков тесла, его стремления легко реализуются…

Впрочем, все эти прекрасные технологии не решают проблемы соединения двух кусков сверхпроводника: хоть кристаллы и ориентированны в одном направлении, о полировке внешней поверхности до субнанометрового размера шероховатостей речи не идёт. У корейцев есть технология спекания отдельных лент друг с другом, но она ещё, мягко говоря, далека от совершенства. Обычно ленты соединяют друг с другом обычной пайкой обычным оловянно-свинцовым припоем или иным классическим способом. Разумеется, при этом на контакте появляется конечное сопротивление, так что создать из таких лент сверхпроводящий магнит, не требующий питания на протяжении многих лет, да и просто ЛЭП с в точности нулевыми потерями не получается. Но сопротивление контакта составляет малые доли микроома, так что даже при 500 А токе там выделяются лишь доли милливатта.

Разумеется, в научно-популярной статье читатель ищет по-больше зрелищности… Вот несколько видео моих экспериментов с высокотемпературной сверхпроводящей лентой второго поколения:

Последнее видео записал под впечатлением от комментария на YouTube, в котором автор доказывал, что сверхпроводимости не существует, а левитация магнита - совершенно самостоятельный эффект, предлагал всем желающим убедиться в его правоте, измерив непосредственно сопротивление. Как видим, сверхпроводимость всё-таки существует.

Физикам удалось синтезировать новый тип сверхпроводников с общей химической формулой ReFeAsO (где Re обозначает какой-либо из редкоземельных металлов: Sm — самарий, Nd — неодим, Pr — празеодим, Ce — церий, La — лантан). Эти вещества обладают неожиданно высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, достигающей 55 К. В состав почти всех открытых до этого высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) входил оксид меди. Полученный впервые широкий класс некупратных ВТСП вселяет надежду на то, что будет наконец найдено теоретическое объяснение явления высокотемпературной сверхпроводимости, а также открывает новые возможности на пути к дальнейшему повышению температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость — это явление полного отсутствия сопротивления при протекании электрического тока, а также идеальный диамагнетизм (то есть «выталкивание» магнитного поля из образца: магнитное поле не проникает вглубь материала).

Идеальный диамагнетизм сверхпроводника можно пояснить тем, что по поверхности образца начинает течь незатухающий ток, магнитное поле которого полностью компенсирует внешнее магнитное поле. Плотность незатухающего тока, экранирующего внешнее магнитное поле, быстро убывает при удалении от поверхности внутрь сверхпроводника. Соответственно, в этой области уменьшается внешнее магнитное поле от некоторого значения на поверхности до нуля в глубине. Описанное явление было открыто в 1933 году немецкими физиками Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом и носит название эффекта Мейснера-Оксенфельда. Принято считать состояние сверхпроводящим, если оно удовлетворяет двум требованиям: отсутствие сопротивления и выталкивание магнитного поля из образца (эффект Мейснера-Оксенфельда).

Вне всяких сомнений, главной задачей технологов — специалистов по «прикладной» сверхпроводимости является создание сверхпроводника с комнатной критической температурой (T c ). Разумеется, искать наобум такие материалы сложно, поэтому на помощь материаловедам приходят физики, которые своими моделями стараются указать направление поиска. Хотя, как показывает история, в случае со сверхпроводимостью, скорее, наблюдается обратный процесс — технологи находят ВТСП, теоретики строят модель. Тем не менее если бы теория высокотемпературной сверхпроводимости была построена, поиск веществ с комнатной T c наверняка бы стал проще.

Первой теорией, удовлетворительно описывающей явление сверхпроводимости, была теория Бардина-Купера-Шриффера (теория БКШ). Это теория низкотемпературной сверхпроводимости. Суть ее в следующем: электроны в веществе, посредством взаимодействия с колебаниями кристаллической решетки материала (фононами), объединяются в пары, называемые куперовскими, и ведут себя как будто единый «организм» с огромными по атомным масштабам размерами. Вследствие этого электронная система куперовских пар «не замечает» препятствий при своем протекании через материал (то есть испытывает нулевое сопротивление).

Когда в 1986 году Йоханнес Беднорц и Карл Мюллер , сотрудники Цюрихского филиала корпорации IBM, обнаружили способность керамики на основе оксида меди, лантана и бария (La 2-x Ba x CuO 4) при 30 К переходить в сверхпроводящее состояние, это был первый этап на пути к высокотемпературной сверхпроводимости. С тех пор было открыто еще немало веществ, относящихся к ВТСП. Более того, с тех пор критическую температуру удалось повысить более чем в 5 раз (см. рис. 1), но построить теоретическую модель, хорошо описывающую наблюдаемые свойства ВТСП, пока что так и не удалось.

Попытки применить теорию БКШ к объяснению высокотемпературной сверхпроводимости не увенчались успехом; в настоящее время существует больше десятка разнообразнейших в своих подходах моделей, каждая из которых в отдельности дает некоторые правильные предсказания. Важно отметить, что, как видно из графика на рисунке 1, в состав всех открытых после La 2-x Ba x CuO 4 веществ с высокой T c почти неизменно входит оксид меди (одно из исключений — упомянутый ниже диборид магния MgB 2) — большинство вышеупомянутых моделей высокотемпературной сверхпроводимости используют этот факт. Поэтому неудивительно, что появившиеся этой весной сообщения о целом классе ВТСП не на основе оксида меди, заинтересовали научную общественность, надеющуюся увидеть прогресс в проблеме «комнатной» сверхпроводимости.

До настоящего времени наиболее высокой температурой перехода (39 К) среди некупратных ВТСП обладал диборид магния MgB 2 . Сверхпроводимость в нем была открыта в 2001 году и, как выяснилось, имеет свои интересные особенности: столь высокая критическая температура достигается за счет существования в нем двух (!) «сортов» куперовских пар, которые, взаимодействуя между собой, повышают критическую температуру.

Первое сообщение об открытии некупратного ВТСП под названием Iron-Based Layered Superconductor LaFeAs (x = 0.05-0.12) with Tc = 26 K (индекс х обозначает в какой пропорции были заменены атомы кислорода атомами фтора — как говорят физики, степень допирования) поступило из Токийского технологического института, где группа ученых под руководством Хидео Хосоно (Hideo Hosono) синтезировала материал, не обладающий электрическим сопротивлением при температуре ниже 26 К.

Конечно, 26 К — это еще не 39. Однако это было только начало. В своей статье (еще в феврале) Хосоно предположил, что T c можно увеличить, например, сжимая материал или заменяя лантан другим элементом. И действительно, некоторое время спустя стали появляться сообщения об открытии сверхпроводимости в других арсенид-железных соединениях. Вот названия статей в хронологическом порядке: Superconductivity at 36 K in Gadolinium-arsenide Oxides GdO 1-x F x FeAs — наблюдалась сверхпроводимость в материале GdOFeAs с = 36 К, Superconductivity at 43 K in Samarium-arsenide Oxides — сверхпроводимость в материале SmOFeAs c T c = 43 К, Superconductivity at 52 K in iron-based F-doped layered quaternary compound PrFeAs — отсутствие сопротивления при 52 К и ниже в допированном фтором соединении PrOFeAs. Что касается использования давления для повышения критической температуры, то тот же допированный фтором LaOFeAs, как было установлено в работе Superconductivity at 43 K in an iron-based layered compound LaO 1-x F x FeAs , может при давлении 4 ГПа (в 40 000 раз больше атмосферного) увеличить T c до 43 К.

И вот совсем недавно появилась статья Superconductivity at 55 K in iron-based F-doped layered quaternary compound SmFeAs о наблюдении сверхпроводимости в SmFeAs с рекордным значением T c = 55 К (рис. 3).

Одновременно с открытием этих соединений встал вопрос о том, как в них образуется сверхпроводимость — то есть каким образом происходит возникновение куперовских пар, ответственных за сверхпроводимость вещества.

Выяснилось, что по своей кристаллической структуре ReFeAsO практически ничем не отличаются от купратных сверхпроводников — такое же чередование слоев, по которым и происходит распространение сверхпроводящего тока (см. рис. 3). Такая аналогия навела ученых на мысль, что, вероятно, природа образования сверхпроводимости у них такая же, как и в купратных ВТСП. Для проверки этой гипотезы были выполнены расчеты , которые показали, что, если куперовские пары образуются в «свежеиспеченных» ВТСП так, как это предсказывает теория БКШ, то критическая температура в них не должна превышать 1 К, что очевидно противоречит экспериментальным данным. Появлялись работы , в которых говорится о таких же механизмах образования сверхпроводимости, как в дибориде магния. Однако, как и в случае с купратными ВТСП, окончательной теории пока что тоже не создано.

Тем не менее недооценивать важность этих открытий нельзя. Вполне возможно, что новый вид арсенид-железных ВТСП поможет пролить свет на теоретическое объяснение высокотемпературной сверхпроводимости и укажет технологам путь к повышению критической температуры.

Сегодня увидел этот комментарий и обсуждение под ним. Учитывая, что сегодня же я был на производстве сверхпроводящих кабелей, хотел вставить пару замечаний, но read-only… В итоге решил написать небольшую статью про высокотемпературные сверхпроводники.

Для начала, на всякий случай, хочется отметить, что сам термин «высокотемпературный сверхпроводник» означает сверхпроводники с критической температурой выше 77 К (-196 °C) - температуры кипения дешёвого жидкого азота. Не редко к ним относят и сверхпроводники с критической температурой около 35 К, т.к. такую температуру имел первый сверхпроводящий купрат La 2-x Ba x CuO 4 (вещество переменного состава, отсюда и x). Т.е. «высокие» температуры тут пока ещё очень низкие.

Высокотемпературные сверхпроводники, как правило, имеют зернистую текстуру , они состоят из зерен – кристаллитов, соединенных между собой. Области соединения являются сильнодефектными, поэтому различают свойства внутригранульные и межгранульные. Например, внутригранульный критический тип много больше межгранульного. В данном разделе мы рассматриваем структуру гранулы или монокристалла. Как уже было отмечено, иттриевые, висмутовые, таллиевые и ртутные ВТСП соединения принадлежат к слоистым металлооксидам. В то же время соединения на основе висмута, таллия имеют плоскости атомов меди и кислорода, а соединения на основе иттрия содержат как плоскости, так и цепочки Cu – O. Роли цепочек и плоскостей в ВТСП материалах посвящены многочисленные работы. В настоящее время считается, что плоскости играют определяющую роль в сверхпроводимости, а цепочки служат и емкостью для электронов. Они могут быть или заполненными, или пустыми, в зависимости от содержания кислорода и легирующих примесей. Если число атомов кислорода в элементной ячейке изменяется, изменяется температура перехода или сверхпроводимость вовсе теряется. Кислородные вакансии находятся в основном в пределах одной цепочки. Например, в соединении YBa 2 Cu 3 O 7- d при d<1 существуют упорядоченные массивы цепочек, имеющих недостаток кислорода, при d=1 цепочки отсутствуют.

Можно получить серию веществ на основе висмута, таллия или ртути с различным стехиометрическим составом; при этом в элементарной ячейке будет содержаться различное число плоскостей, различными будут и свойства ВТСП, в частности, температура перехода. Также сверхпроводники объединяются общей формулой с переменными стехиометрическими коэффициентами (см. табл. 2.1). Так, например, соединения Tl-2212, Tl-2223 и Tl-2201 имеют общую формулу:

Tl 2 Ba 2 Ca n -1 Cu n O 2 n+4 , (2.1)

где n – принимает значения 2, 3, 1 соответственно, и показывает число CuO слоев.

Таблица 2.1

Основные свойства некоторых ВТСП

№ п/п	Соединение (сокр. обозн.)	Сингония	Размеры элементарной ячейки, А 0	Т СП
	(La 1-x Sr x)CuO 4	Тетрагональная	a=b=3,78 c=13,2	37,5
	YBa 2 Cu 3 O 7-x (Y-123)	ромбическая	a=3,82 b=3,88 c=13,2
	Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 (Bi-2212)	ромбическая	a=5,41 b=5,42 c=30,9
	Bi 4 Sr 4 CaCu 3 O 14 (Bi-4413)	ромбическая	a=5,411 b=5,417 c=27
	Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Bi-2223)	ромбическая	a=5,41 b=5,41 c=37,1
	Tl 2 Ba 2 CuO 6 (Tl-2201)	ромбическая	a=5,411 b=5,473 c=23,24
	Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 (Tl-2212)	тетрогональная	a=b=3,86 c=29,3
	Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Tl-2223)	тетрогональная	a=b=3,85 c=35,9
	HgBa 2 CuO 4 (Hg-1201)	тетрогональная	a=b=3,86 c=9,51
	HgBa 2 CaCu 2 O 6 (Hg-1212)	тетрогональная	a=b=3,86 c=12,7
	HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 (Hg-1223)	тетрогональная	a=b=3,86 c=15,9

Аналогично можно записать общие формулы для висмутсодержащих или ртутьсодержащих ВТСП групп:

Bi 2 Sr 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4 , (2.2)

HgBa 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +2 , (2.3)

Как оказалось изготовить однофазные образцы висмутовых, таллиевых и др. соединений довольно сложно. Обычно получается комбинация фаз, каждая из которых имеет свое число слоев CuO и CaO на ячейку и свои критические параметры. Это вызывает наличие не критической температуры, но температурного интервала в 4-6 К.

Такое «сосуществование» затрудняет темпы проведения ряда экспериментов, связанных с учетом характеристик конкретной фазы или ее поведения в магнитном поле и т.д.

Как уже отмечалось, структура ВТСП материалов, особенно внутри групп (2.1), (2.2) и других, имеет общие элементы. Поэтому рассмотрим структуру фаз: YBa 2 Cu 3 O 7- x (ромбическая сингония) и Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 в качестве примеров.

Рис. 2.1. Кристаллическая структура YBa 2 Cu 3 O 6,5+ d , δ ≈ 0,5;
● – Ba, ▲ – Y, – Cu, ○ – O

Структура фазы (Y-123) показана на рис. 2.1. Ее можно представить в виде последовательности слоев, расположенных перпендикулярно оси с:

… (CuO )(BaO)(CuO 2)(Y)(CuO 2)(BaO)(CuO ) … (2.4)

где – вакансия атома кислорода.

Особенностью данной структуры является относительная легкость изменения ее кислородной стехиометрии, при этом состав медного слоя (Z=0) изменяется от CuO 2 (d=-0,5) до (CuO ) (d=0,5).

При d = -0,5 элементарная ячейка тетрагональная и состав YBa 2 Cu 3 O 6 обладает полупроводниковыми свойствами. Однако при d ³ -0,2 структура становится ромбической (a¹b) вследствие заселения атомами кислорода позиций в плоскости (x,y,o) и обладает сверхпроводниковыми свойствами. При этом с возрастанием d происходит увеличение T С .

Введение дополнительных катионов в ВТСП может преследовать три цели. Во-первых, это поиск новых сверхпроводников или увеличение температуры перехода уже существующих, во-вторых, – усиление фазообразования и, наконец, в-третьих, – дополнительные катионы могут вводиться с целью увеличения пиннинга магнитных вихрей, как на включениях получающихся несверхпроводящих фаз, так и на дефектах структуры образующихся при этом.

Необходимо отметить, что замещение атомов иттрия на иные, изменяет свойства соединения.

Так, замещение атомов иттрия на атомы празеодима приводит к потере сверхпроводимости. Замещение атомов иттрия на атомы тория сдвигает температуру перехода (Т С =67 К). Легирование иттриевой керамики некоторыми лантанидами может оказаться перспективным, поскольку существенно изменяет температуру перитектического распада фазы Y-123. Дело в том, что иттриевая позиция представляет собой слабое место в структуре сверхпроводящей фазы, поскольку ион иттрия сжимает структуру, создает структурные искажения. Так, замена атомов иттрия на атомы с более крупным радиусом (Na 3+ ,S 3+ , En 3+ , Gd 3+ и др.) стабилизирует структуру и обеспечивает более высокие характеристики ВТСП материалов.

Например, японские специалисты склоняются к полному замещению иттрия в структуре на неодим.

Замещение атомов меди на другие, как правило, приводит к снижению температуры перехода до 60 – 65 К.

В завершение необходимо отметить, что кроме рассмотренной фазы Y-123 могут образоваться и другие сверхпроводящие фазы: YBa 2 Cu 4 O 8, Yba 4 Cu 7 O 14 с температурами перехода соответственно 80 К и 40 К.

Структура другого популярного ВТСП, соединения Bi-2212 показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Модель структуры Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8:
● – Bi, Δ – Sr, ▲- Ca, ■ – Cu, ○ – O

Необходимо отметить, что структуры висмутовых и таллиевых ВТСП материалов имеют много общего и представляют собой когерентное срастание блоков перовскита и NaCl. В данном случае набор плоскостей по оси С выглядит следующим образом:

(CuO 2) (Ca )(CuO 2)(SrO)(OBi)(BiO)(OSr)(O 2 Cu) … (2.5)

В данной структуре первые 3 плоскости соответсвуют перовскитному блоку, а последние 5 – блоку по типу NaCl. Атом кальция занимает позицию, аналогичную позиции иттрия (рис. 2.1) и обладающую высокой концентрацией анионных вакансий.

В настоящее время проведено много работ, связанных с введением каких-либо добавок в сверхпроводники ряда BiSr 2 Ca n -1 Cu n O x . Это могут быть катионы, замещающие позиции в кристаллической решетке, или нейтральные добавки. К примеру, катион Pb 2+ позволяет улучшить электрофизические характеристики сверхпроводника, в частности, увеличить его критический ток. Замещение редкоземельными элементами и замещение свинцовых катионов приводит к увеличению пиннинга, а последнее увеличивает и значение критического магнитного поля. Введение серебра также позволяет увеличивать критический ток.

В завершение разговора о структуре ВТСП кристаллов, следует выделить основные характеристики , обоснование которых выходит за рамки данного пособия, но которые являются общими для всех полученных материалов:

1. Структуры фаз являются производными от структуры перовскита .

2. Структуры имеют большое число анионных вакансий , концентрацию которых можно варьировать (температура и скорости обжига, время и давление выдержки в кислороде и т.д.).

3. В структурах имеются атомы меди в различных степенях окисления (II и III). Вследствие изменения количества атомов кислорода в структуре происходит понижение уровня Ферми и образование дырок.

4. Структуры ВТСП фаз – слоистые , непременным их элементом является наличие плоскостей (CuO 2). Образование слоистых структур происходит либо из-за упорядочения анионных вакансий, либо из-за нарушения идеальной последовательности слоев вдоль оси 4-го порядка.

5. В этих перовскитоподобных структурах В-позиции заняты только атомами меди. Синтез структур с иными атомами в В-позициях пока результатов не дал.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные типы ВТСП материалов.

2. Каковы особенности структуры ВТСП материалов?

3. Как влияют примеси на структуру и свойства ВТСП?

4. Какова роль цепочек и плоскостей в структуре?

Практическое использование сверхпроводников долгое время сдерживалось одним из трех основных факторов: низкими температурами сверхпроводящего перехода, существованием критического магнитного поля и критического тока.

Если в криоэлектронике ВТСП успешно применялись уже в 1987 г (магнитные экраны, различные тонкопленочные приемники СВЧ-излучения, работающие при 77 К), то использование ВТСП в энергетике - дело ближайшего дня. В 1999 г. на 3-ей Международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов (Москва, Клязьма, Россия, авторы: А.Д.Никулин, А.К.Широков, А.Б. Воробьева) сообщалось, что в результате комплекса проведенных исследований и разработок во ВНИИНМ созданы основы процесса создания одножильных и многожильных проводников на основе висмутовой системы (Bi -2212 и Bi -2223), а также массивных изделий на основе ВТСП керамики Y - Ba - Cu - O . Выпускаются композиционные ВТСП с длиной единичного куска до 250 м, с критическим током до 45 А (77 К, О Тл). Достигнутый уровень конструктивной плотности тока на таких проводниках - до 6 кА/см 2 (77 К, 0 Тс) позволил приступить к изготовлению изделий криогенной электротехники.

В сотрудничестве с МАИ, РНС «Курчатовский Институт», ИФВЭ, НИИ Электромашин изготовлены и успешно испытаны первые образцы криодвигателей, токовводов, магнитных катушек на основе ВТСП проводников.

Для применения в электронной технике многими научными группами ведутся работы по использованию ВТСП тонких пленок, получаемых различными методами. Например, изучаются подходы к расчету и изготовлению фильтров с квазисосредоточенными и сосредоточенными параметрами и малыми габаритами на частотах 500–2000 МГц, ВТСП материалы с температурным коэффициентом сопротивления близким к нулю для изготовления прецизионных низкотемпературных резисторов и др.

Перспективы применения сверхпроводников достаточно четко были отражены в статье "Новые сверхпроводники: перспективы применения" Алана М. Вольски и др. в журнале Scientific American, апрель 4, 1989 наиболее интересные из которых и приведем ниже (рисунок 10.18).

Рис. 10.18. Области применения сверхпроводников

Сверхпроводящие магниты. С помощью обычного электромагнита, представляющего собой катушку из медного провода, размещенной на железном сердечнике, можно создавать поля до 2 Тл, причем медные провода выдерживают плотность тока до 400 А/см 2 .

Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счет увеличения плотности тока до 100000 А/см 2 . Такие плотности тока позволяют получать сплавы из ниобия-3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4 К).

Объемные образцы иттрий - барий - оксид меди выдерживают плотность тока до 4000А/см 2 при температуре жидкого азота (77 К) в поле 1 Тл. В отсутствие магнитного поля плотность тока может достигать 17000 А/см 2 .

Генераторы и линии электропередач. Сверхпроводящие магниты могут повысить КПД генераторов большой мощности до 99.5%, хотя у обычных генераторов он уже достигает 98.6%. Ежегодная экономия топлива составит 1%. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электропередач могут стать только при передаче по ним большого количества энергии.

Аккумулирование электроэнергии. Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азотом обошлись бы на 3% дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты уменьшаются еще на 5%.

Поезда на магнитной подушке - наиболее перспективное применение сверхпроводников для скоростных поездов. Стоимость сооружения пути длиной 500км обойдется в 1.5 – 4.5 млрд долл. Стоимость самих поездов составит не более 10% от общей суммы затрат, а система охлаждения всего 1%.

Сверхнизкие температуры до 10 -6 К достигнуты в магнитных холодильниках при использовании магнитоэлектрического эффекта. Такие системы важны для космических и оборонных программ.

Компьютеры и сверхпроводники. В будущем может быть создан суперкомпьютер на ВТСП с быстродействием в 1000 раз больше, чем у компьютеров, проектируемых в настоящее время. Время переключения на переходах Джозефсона (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика) составит не более 10 -13 с для Т кр =10К и 10 -14 с для материала с Т кр =100К.

В 1962 г . Б. Джозефсон теоретически предсказал эффект слабой сверхпроводимости, который служит подтверждением того, что сверхпроводимость - квантовое явление. Эффекты Джозефсона, как и эффект квантования магнитного потока, показывают, что между носителями сверхпроводящего тока - куперовскими парами существует согласованное когерентное поведение и жесткая фазовая корреляция. Джозефсоном было показано, что при туннельных экспериментах с пленочными структурами сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник следует ожидать просачивания куперовских пар через слой диэлектрика толщиной 10–20 А. Туннельный ток можно наблюдать и при контакте нормального металла и сверхпроводника, разделенных тонким непроводящим слоем.

Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. При стационарном эффекте в отсутствие электрического поля сверхпроводящий ток протекает через диэлектрик, если его толщина порядка одного–двух нанометров. Это означает, что куперовские пары туннелируют из одного электрода в другой не вызывая падения напряжения. Прохождение туннельного тока в таком режиме будет происходить до тех пор, пока его плотность не превысит некоторой критической величины, являющейся характеристикой туннельного контакта. Любое магнитное поле влияет на этот сверхпроводящий ток и обращает его в нуль, когда полный магнитный поток в диэлектрическом зазоре будет равен целому числу квантов потока F 0 . Джозефсоновский ток зависит от магнитного поля согласно выражению

(10. 2 9)

где I –ток, зависящий от свойств контакта и не зависящий от поля, Ф 0 – полный магнитный поток в туннельном контакте.

Нестационарный эффект Джозефсона состоит в том, что когда плотность постоянного туннельного тока превысит критическое значение, то на контакте, кроме постоянной составляющей электрического напряжения V , появляется еще и высокочастотный переменный ток с угловой частотой w , причем

(10.30)

При напряжении на контакте 1 мВ частота переменного джозефсоновского тока равна 4,85 · 10 - 1 с - 1 , что соответствует электромагнитному излучению с длиной волны 600 мкм. Эксперименты Джозефсона с классическими сверхпроводниками показали, что электроны связываются в куперовские пары и заполняют одно квантовое состояние. Эффекты Джозефсона находят применение в приборостроении. На их основе созданы квантовые интерференционные магнитометры - СКВИДы (сокращение по первым буквам английского названия), используемые для измерения слабых магнитных полей до10 - 15 Т в качестве приемников СВЧ излучения и ряда других приборов микроэлектроники и сверхпроводящей криоэлектроники. Созданы СКВИДы на основе ВТСП керамики работающие при 77 К. Перспективно использование эффектов джозефсоновских переходов для изделий сверхпроводящих ЭВМ нового поколения и других электронных устройств СКВИДы (сверхпроводящий квантовый итерференционный детектор). С помощью СКВИДа можно измерять падение напряжения до 10 -18 В, токи 10 -18 А (несколько электронов в секунду) и магнитные поля меньшие 10 -14 Тл. Аналогов подобной чувствительности нет. Новые сверхпроводники позволяют регулировать частоты до 10 12 Гц (близко к квантовому пределу). Чувствительность обычных приборов не превышает 10 10 Гц. Применение СКВИДов - магнитоэнцефалография, элементы памяти. СКВИДы используются физиками для исследования кварков, магнитных монополей, гравитонов, геологами для поисков нефти, воды, минералов, разрабатываются детекторы для обнаружения подводных лодок.

Разделы