Опубликовано

Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемпературная сверхпроводимость

Валентин Пантелеймонович Смирнов, научный руководитель электрофизического блока АО «Наука и инновации»: «То, что нам сегодня кажется совершенно фантастичным, завтра будет применимо в быту».

– После критического периода в развитии нашей страны, ее науки и техники, мы потеряли производство низкотемпературной сверхпроводимости. Счастье, что в этот момент у нас был проект создания международного термоядерного реактора ИТЭР. В соответствии с международными обязательствами наша страна должна была поставить значительное количество низкотемпературного сверхпроводника. Совершенно героические усилия были предприняты и Институтом неорганических материалов, НИИЭФА, Курчатовским институтом, НИИКП. В результате сегодня в России мы располагаем производством сверхпроводника мирового уровня.

Свои обязательства в ИТЭР мы успешно выполняем и готовы идти дальше, потому что эта часть оказывается востребованной не только в медицине – на томографах, – но и в создании таких уникальных машин, каким является суперколлайдер в Швейцарии.

ГРАНИ ЛИЧНОСТИ

Валентин Пантелеймонович Смирнов

Научный руководитель электрофизического блока АО «Наука и инновации», академик РАН
* Родился в 1937 году в Московской области; в 1961 году окончил МФТИ и начал свою трудовую деятельность в РНЦ «Курчатовский Институт»
* С 1999 года – директор Института ядерного синтеза Российского научного центра «Курчатовский институт». В настоящее время – заместитель генерального директора, научный руководитель электрофизического блока ЗАО «Наука и инновации», академик РАН.
* Один из пионеров создания современной мощной импульсной техники. Идеолог и руководитель сооружения одного из крупнейших в мире генератора наносекундных импульсов «Ангара-5». Осуществляет научное руководство работами по импульсному термоядерному синтезу на основе Z-пинчей.
* Лауреат Государственных премий СССР и Российской Федерации, лауреат премии Ханнеса Альфвена Европейского Физического Общества, доктор физико-математических наук.
* Автор и соавтор более 250 научных публикаций и обладатель ряда патентов.
* Сфера научных интересов: термоядерная энергетика, электрофизика, физика плазмы, плазменные технологии.

– На сегодняшний день ситуация выправилась?

– Физика и техника на месте не стоят, поэтому в свое время было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости. Здесь температура работающего сверхпроводника должна быть не в пределах от 10 до 4 абсолютных градусов, а на уровне 75 градусов. То есть это температура жидкого азота. Технически это сразу колоссальное облегчение, потому что вы меньше энергии тратите на охлаждение и поддержание этой температуры. Самое главное, хладагент, коим является азот, намного дешевле, чем гелий, который используется в случае низкотемпературной сверхпроводимости.

Получилось так, что в этой области – опять же, из-за произошедших исторических событий – мы в какой-то момент отстали. Объединенные усилия Росатома и Курчатовского института позволили создать федеральную целевую программу по ускоренному развитию высокотемпературной сверхпроводимости у нас в стране. Было поручено осуществлять координацию этой программы в целом Росатому.

Мы сегодня находимся в НИИ технической физики и автоматизации (НИИТФА). Это только одно предприятие – и очень важное для Росатома, – которое занимается высокотемпературной сверхпроводимостью. Другая значительная работа у нас построена в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры в Санкт-Петербурге. Вообще, в качестве исполнителей в эту программу вошел целый ряд совершенно замечательных институтов и организаций, прежде всего, Курчатовский институт. Именно ему поручено создание опытной линии по производству кусков сверхпроводников, сверхпроводящей ленты размером до ста метров.

Мы недавно получили это оборудование, оно установлено в Курчатовском институте. Таким образом, благодаря усилиям и «Русского сверхпроводника» – организации, которой было поручено общее курирование программы, – и Курчатовского института, и НИИЭФА, мы имеем теперь широкомасштабный стенд для того, чтобы создавать ВТСП-проводники второго рода и отрабатывать оптимальную технологию.

Это очень существенно. Кроме того, в России уже создаются и частные организации, которые тоже заняты этой проблемой – например, «СуперОкс». Наша задача в рамках кооперации состоит в том, чтобы в широком масштабе решить проблему создания требуемых сверхпроводников, найти способы существенного уменьшения их стоимости, чтобы мы могли двигать высокотемпературную сверхпроводимость для практического использования в промышленности и науке.

– Кто еще с вами работает?

– Помимо названных институтов, нужно упомянуть центр Федеральной сетевой компании. Существует институт ВНИИНМ, который тоже вовлечен в эту программу. Очень хорошие, замечательные работы делаются в МАИ. Мы имеем значительный научно-технический потенциал, вовлеченный в эту проблему. Результатом, который мы ожидаем увидеть в течение ближайших лет, будет внедрение в практику высокотемпературной сверхпроводимости.

– Что вы в первую очередь ожидаете увидеть в качестве практического применения?

– Сам по себе сверхпроводник обеспечивает передачу электроэнергии без потерь. Конечно, это очень существенно, потому что до 10% и больше вырабатываемой электроэнергии тратится на её передачу. Но есть еще одно забавное обстоятельство. Если мы говорим об электроснабжении мегаполиса, то сверхпроводник предлагает нам еще одно преимущество, очень важное. Осуществляя связь между частями мегаполиса по передаче электроэнергии, мы можем использовать сверхпроводящие линии и экономить страшно дорогую городскую площадь. Такие работы уже начались и ведутся группой предприятий во главе с ЭНИН в Москве, а в Петербурге готовится линия, соединяющая две части энергосистемы путем передачи энергии по каналу, проложенному через центр Петербурга – это колоссальная вещь!

Чтобы решать эти вопросы, необходимо иметь производство. Производством сверхпроводника у нас будут заниматься три института: НИИТФА, который готовит подложку, Институт неорганических материалов, который готовит соответствующие материалы, и НИИЭФА – это финишное формирование лент. После этого вступает в действие Институт кабельной промышленности, который из сверхпроводящих лент должен изготавливать эти самые кабели.

Кроме того, существует еще большая проблема, как ввести в холодную зону энергию из теплой зоны. Это так называемые токовводы. Ими занимается Курчатовский институт и другие организации.

Далее, возникает вопрос по существенному сокращению массогабаритных характеристик электротехнических устройств. В этой области первое место принадлежит МАИ, который рассматривает различные типы электрогенераторов, электродвигателей. И здесь главное преимущество в области высокотемпературной сверхпроводимости состоит не в уменьшении потерь, а в очень резком уменьшении массогабаритных характеристик приборов.

– Что означает высокотемпературная сверхпроводимость для науки?

– Прежде всего, она дает нам по-новому – более экономично и более эффективно – строить магнитные системы для физических приборов. К ним могут относиться те же самые термоядерные установки, где замена низкотемпературной сверхпроводимости на высокотемпературную сверхпроводимость существенна с точки зрения эксплуатации. Кроме того, потенциально высокотемпературная сверхпроводимость позволит получить большие напряженности магнитных полей, чем могла бы обеспечить низкотемпературная сверхпроводимость, что важно для плазменных термоядерных установок.

Очень важно также нам сейчас решить вопрос о применении магнитных систем на основе ВТСП для лучевой терапии. Вы знаете, что одна из точек горячего интереса в настоящее время – это создание ускорителей для протонной и ионной терапии. Там создаются очень сложные системы, позволяющие облучать больного с многих направлений, тем самым снижая нагрузку на здоровые ткани. Эти системы, которые называются «гантри», выполненнные на основе высокотемпературной сверхпроводимости и будут гораздо более легкими и удобными в применении.

– Что нужно для скорейшего внедрения этой технологии в практику?

– Чтобы все это пошло реально в практику, нам необходимо искать способы удешевления технологии и оптимизации производства высокотемпературных сверхпроводников. Это задачи исключительно важные. Мы это можем делать только тогда, когда создадим широкомасштабное производство.

Учитывая перспективы высокотемпературной сверхпроводимости, мы в настоящее время готовим следующую стадию продолжения работ в этой области. Основной элемент продолжения состоит в коммерциализации тех приборов, которые мы создали. При этом мы должны понимать, что само по себе развитие техники и физики высокотемпературной сверхпроводимости не стоит на месте. Люди ищут новые составы, новые способы. К сожалению, сегодня у нас это не входит в программу нашей будущей активности. Но мы очень надеемся, что и в Академии наук, и в вузах такие работы будут проводиться и помогать в создании условий, когда наши технологии и наши устройства на основе высокотемпературной сверхпроводимости не будут отставать, а даже в определенном смысле будут впереди мирового развития этого направления.

– Может ли высокотемпературная сверхпроводимость найти применение в бытовой технике, или масштаб не тот все-таки?

– Вы знаете, хороший вопрос. Но самое простое вам можно было бы сказать: ничего не будет в быту, на кухне высокотемпературная сверхпроводимость не найдет себе места. Но это взгляд сегодняшнего дня. История развития и физики, и техники показывает, что часто то, что нам сегодня кажется совершенно фантастичным, завтра или послезавтра вполне применимо в быту.

Впрочем, одна проблема, которую могли бы решить высокотемпературные сверхпроводники, – это создание накопителей энергии. Вы знаете, что энергию можно произвести, но ее нужно потребить в определенный момент. Если момент оптимального производства и момент оптимального потребления не совпадают, то вы должны где-то запасать эту энергию, чтобы иметь возможность ее использовать в последующем. Сверхпроводимость высокотемпературная дает относительно дешевый способ создания таких накопителей энергии. На даче я поставлю, например, солнечную батарею. Дальше мне нужно нагревать свои собственные водяные батареи в доме. Солнце ночью не светит, и именно ночью мне нужно обогревать дом. Почему бы не предположить, что в недалеком будущем я смогу иметь такой накопитель, который позволит это сделать? Конечно, есть другие способы решения этой проблемы – аккумуляторы и так далее. Но почему бы и нет?

Когда-то говорили, что солнечная энергетика – это недостижимо, это дорого. Но вы знаете, что сегодня мощность солнечных батарей в Германии, по-моему, сравнялась с мощностью работающих атомных станций, то же самое относится и к ветрякам. Для ветряков тоже сверхпроводимость была бы полезна, по крайней мере, в двух отношениях: во-первых, генераторы на основе ВТСП существенно легче, и поднять их в небо оказывается проще и дешевле. Второе – это накопители энергии, о которых я вам говорил.

Леонид Михайлович Фишер, директор Научно-производственного отделения сверхпроводниковых ограничителей тока: «Мы разрабатываем то, что вообще мало кто делает, и в этом смысле идем впереди планеты всей».

В рамках программы по прикладной сверхпроводимости мы начали работу по созданию сверхпроводниковых ограничителей тока короткого замыкания. Эта работа сейчас уже движется к завершению. В этом году она заканчивается опытными образцами этого нового вида оборудования. Особенностью сверхпроводниковых ограничителей тока является то, что они не имеют фактически аналогов в обычном исполнении, поэтому интерес к ним достаточно велик во всем мире. Такое оборудование разрабатывается в Соединенных Штатах, в Германии, в Корее, в других странах и, в частности, в России – мы в этом плане не отстаем. Нашей особенностью является то, что мы разрабатываем сверхпроводниковые ограничители постоянного тока – это то, что вообще мало кто делает, и в этом смысле мы в какой-то мере идем впереди планеты всей.

Прежде чем создавать сверхпроводниковые ограничители тока, мы должны взять соответствующую сверхпроводниковую ленту, которая сейчас производится преимущественно в Соединенных Штатах, в Японии и Южной Корее. В настоящее время ведутся также работы в рамках института НИИТФА, связанные с получением сверхпроводниковых лент второго поколения, чтобы получить их более дешевое исполнение. Это, соответственно, расширит диапазон прикладных исследований, прикладных применений данного оборудования.

ГРАНИ ЛИЧНОСТИ

Леонид Михайлович Фишер

Директор Научно-производственного отделения сверхпроводниковых ограничителей тока госкорпорации РосАтом.
* Родился в 1940 в Москве; в 1964 г. закончил МФТИ и получил квалификацию инженера-физика по специальности Физика низких температур и криогенная техника
* В 1968 г. защитил кандидатскую диссертацию на тему «Эффект Шубникова – де Гааза в висмуте и графите под высоким давлением» и получил ученую степень кандидата физико-математических наук; в 1977 г. защитил докторскую диссертацию на тему «Допплероны в металлах» и получил ученую степень доктора физико-математических наук; в 1995 г. получил звание профессора.
* С 2013 г. директор центра и директор НПО в Научно-исследовательском институте прикладной физики и автоматизации (АО «НИИТФА») Росатома РФ.
* Сфера научных интересов: магнитные явления, физика твердого тела, физика низких температур, физическая и прикладная сверхпроводимость.
* Хобби: чтение художественной и научной литературы.

Типичная 12-миллиметровая лента имеет токонесущую способность, исчисляемую сотнями ампер – 500-600 ампер. Лучшая лента доходит до 1000 ампер. Это означает, что такие ленты в состоянии пропускать постоянный ток такой величины без сопротивления. Если ленты включены параллельно, то и ток увеличивается пропорционально количеству применяемых лент. Если ток превышает некоторое значение, которое называется критическим значением, сверхпроводимость разрушается, и соответствующая лента переходит в резистивное состояние. Возникают термические потери. Но фактически это означает, что если в электрическую цепь включено такое устройство, то при токах меньше критического оно не вносит никаких потерь в электрическую сеть. В случае же превышения током некоего фиксированного значения появляется сопротивление. Оно может ограничивать токи короткого замыкания. Ток может превысить величину заданную, когда действительно в системе есть какие-то неполадки, которые приводят к режиму короткого замыкания и разрушению аппаратуры. Поэтому сверхпроводники ограничивают токи короткого замыкания на требуемую величину.

Особенностью нашей конструкции является то, что за счет применения модульного типа построения мы можем создавать ограничители тока на различные значения минимальных токов, на различный уровень напряжения. В частности, сейчас в рамках программы мы завершаем работу по созданию сверхпроводникового ограничителя тока напряжения 3,5 киловольта и 2 килоампера номинального тока. Наши токоограничители имеют оригинальную конструкцию и оригинальные решения для работы на постоянном токе. Фактически ни одна действующая компания не разрабатывает ограничители постоянного тока с такой степенью надежности, как это делается у нас.

Перспективы в этом плане имеются, поскольку интерес к этим материалам проявляют, в частности, предприятия железнодорожного транспорта, где многие поезда используют для движения постоянный ток, и режимы короткого замыкания там часто возникают. Поэтому облегчается жизнь и работа соответствующей отрасли народного хозяйства.

При этом оказывается, что существующие способы защиты системы от токов короткого замыкания дают большие потери, поскольку сверхпроводимость там не применяется. Применение сверхпроводимости позволяет существенно снизить потери, в чем и есть экономический эффект от применения сверхпроводниковых ограничителей тока.

В настоящее время мы готовим материалы, оборудование и разрабатываем технику применительно к требованиям непосредственно системы железных дорог, где мы планируем начать уже испытания в соответствующем режиме в этом году. В следующем году мы планируем начать опытную эксплуатацию.

Наряду с постоянным током в системе железнодорожного движения применяются токи и переменные. Там может быть даже больше проблем с ограничением тока короткого замыкания, поскольку речь идет о более высоком напряжении – порядка 27 киловольт.

Основываясь на том опыте, который мы приобрели на той разработке, которую мы сделали для системы постоянного тока, можно непосредственно переходить к разработке вначале экспериментальных образцов, затем опытных образцов – уже на переменное напряжение для системы железных дорог. Сейчас новые железные дороги строятся на переменном токе. Поэтому там есть место для применения сверхпроводниковых ограничителей тока в соответствующей системе железных дорог. Вице-президент РЖД Валентин Гапанович поддержал это направление, так что мы работаем в тесном контакте с железными дорогами.

Особенностью нашей работы на постоянном токе является применение разработанного – нашим коллективом в том числе – оригинального коммутатора постоянного тока. Это ограничивает количество материала, необходимого для создания токоограничителя. Надо иметь в виду, что стоимость токоограничителя в значительной мере определяется стоимостью сверхпроводящей ленты и соответствующего криогенного обеспечения. Это и определяет эффективность применения сверхпроводимости.

Мы работаем в тесном контакте с разными организациями России – с организациями Росатома, Академии наук и другими предприятиями. В том числе мы связаны и с Федеральной сетевой компанией.

Виктор Иванович Панцырный, управляющий директор ОАО «Русский сверхпроводник»: «Исследования могут дать неожиданные, взрывные результаты».

Сегодня мы уже сказали, что Россия является лидером по производству низкотемпературных сверхпроводников. У нас есть промышленное производство – одно из лучших в мире. Это Чепецкий механический завод. Сейчас создается новое отечественное производство высокотемпературных сверхпроводников. Оно планируется, чтобы ликвидировать то отставание, которое у нас существует перед западными производителями сверхпроводниковой ленты.

Было предусмотрено две стадии процесса. Мы приобрели лицензию на технологию и поставили экспериментальную линию в Курчатовском институте, который способен на высоком уровне провести исследования тонкой структуры высокотемпературного соединения и поднять токонесущую способность. Надо сказать, что есть огромный потенциал, чтобы реально увеличить техническую привлекательность этих лент. Токонесущая способность, которая сейчас составляет порядка 3 мегаампер на квадратный сантиметр, может быть увеличена еще в 4-5 раз. Это приведет к тому, что такой сверхпроводник станет интересен не только для изготовления прототипов или каких-то новых устройств, а войдет уже в широкую технику и промышленность.

ГРАНИ ЛИЧНОСТИ

Виктор Иванович Панцырный

Директор АО «Наука и инновации», управляющий директор ОАО «Русский сверхпроводник», доктор технических наук, действительный член АЭН РФ
* В 1972 г. окончил Московский государственный институт стали и сплавов. После окончания института работает в НИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара, где занимался металловедением композиционных материалов, разработкой сверхпроводников для международного проекта экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, а также разработками наноструктурных особо прочных высокоэлектропроводных материалов для применения в импульсных магнитных системах.
* С 1998 г. – заместитель директора отделения композиционных материалов ВНИИНМ им А.А.Бочвара, главный научный сотрудник.

* С 2011 г – директор ОАО «Русский сверхпроводник», управляющецй компанией по проекту «Сверхпроводниковая индустрия.

* Сфера научных интересов: прикладная сверхпроводимость, материаловедение композиционных, наноструктурных материалов.
* Хобби: теннис.

Но если Курчатовский институт будет заниматься исследованиями, разработкой этих лент, то вторая часть программы – это создание собственно крупномасштабного производства, чтобы обеспечить развитие сверхпроводниковой индустрии в России. Это создание установок, которые позволят выпускать куски длиной уже на порядок больше – не стометровые, а километровые куски ленты с достаточно высокой токонесущей способностью.

Здесь надо отметить, что материаловедческие исследования помогут нам не только достичь нового уровня свойств такой ленты, но и позволят проводить еще и исследования по поиску новых классов сверхпроводников. Очень долго – с 1911-го до 1986-го года – низкотемпературная сверхпроводимость развивалась эволюционно. С 1986-го года появились новые классы сверхпроводников. Это и класс MgB2, классы пниктидов на основе железа, это иттриевые керамики, висмутовые керамики, таллиевые керамики, керамические сверхпроводники перовскитного класса, что привело к повышению критической температуры серхпроводников до 150 К. Здесь тоже большой потенциал – ведь никто не запрещал поднять температуру перехода в сверхпроводимость вплоть до комнатной. Такие перспективы фундаментальных исследований тоже имеют право на жизнь, и они будут проводиться.

Наша программа более техническая, ориентирована на индустрию, на промышленность, на создание новых устройств с применением уже достаточно высокого уровня качества сверхпроводниковых материалов, которые мы сегодня имеем и массовое производство которых собираемся создать уже в ближайшие годы.

Вы сегодня видели создание пилотного образца энергетического сверхпроводящего ограничителя тока, где именно природные качества сверхпроводника позволяют создать новый класс оборудования энергетического. Также работы идут и над созданием генераторов для ветроэнергетики. В рамках нашего проекта мы начали с 50-киловаттной машины, а завершаем проект за короткое время генератором мегаваттного класса, который представляет интерес для установки его на ветроэнергетическом оборудовании.

– Какие применения могли бы найти высокотемпературные сверхпроводники в промышленности уже в ближайшем будущем?

– Стратегия развития энергетики предусматривает переход на инновационный путь. Возобновляемые источники энергии – тренд, который сейчас начинает преобладать во всех странах мира, поэтому развитие сверхпроводниковой индустрии крайне важно. Особенно когда мы разрабатываем ветроэнергетические установки для северных районов, которые имеют наибольший потенциал развития ветровой энергии по нашему побережью Северного моря и Арктики. Сейчас прорабатывается возможность создания такой установки на сверхпроводниках. Она будет легче, компактнее. Такие разработки сегодня ведутся по всему миру.

Ещё одна область – сверхпроводниковые электродвигатели. Мы начинали с пяти киловатт, довели сейчас до 200-киловаттных двигателей малого объема, которые перспективны для установок на муниципальном транспорте. Еще более мощные установки интересны для судовых установок. Там мы можем создать малые, компактные, мощные сверхпроводниковые установки. Первые серьезные прототипы будут реализованы уже в 2015 году.

– Вы затронули очень интересную тему: «комнатная» сверхпроводимость. Года два назад один Ваш коллега сказал, что, в принципе, теория этого не запрещает – не более того. Но сейчас Вы заговорили об этом сами. Судя по всему, с тех пор наметились какие-то подвижки?

– Сложно сказать. Создание сверхпроводников нового класса – перовскитного типа – было абсолютно непредсказуемо. Перовскит – это керамики: иттрий, барий, медь, кислород. Они сейчас уже стали основой высокотемпературной сверхпроводимости. Народ изучал эти перовскитные соединения на основе ланьана они лежали у кого-то, исследованные, в шкафах, но никто даже не догадался померить температуру перехода этих соединений, потому что предполагалось, что это оксиды и от них нечего даже ожидать сверхпроводимости.

Сейчас поисковые исследования идут широким фронтом. Это и металлоорганические соединения, это и фуллерены, это и графены, которые тоже пытаются в сочетании с другими материалами использовать для поиска новых серхпроводников. Может быть, это будет не просто какое-то вещество, а какая-то искусственно созданная комбинация или композиционный материал. Тем более сейчас идет развитие 3D аддитивных технологий, можно представить себе, что исследования могут пойти совершенно неожиданно. Традиционно – это органика с внедрением туда металлических атомов и листовые материалы на основе графенов. Они являются базовыми направлениями для поиска материалов. Хотя никто не отрицает, что исследования, которые ведутся практически повсеместно во многих центрах мира, могут дать неожиданные, взрывные результаты.

– Открытие такого плана, наверное, произвело бы революцию в энергетике.

– Необязательно. Есть вероятность того, что будут созданы сверхпроводники, которые могут иметь температуру перехода при комнатном состоянии, но они могут не обладать при этом высокой токонесущей способностью. Все зависит от того, какая природа этого соединения и какие у него будут возможности именно для использования в электротехнике. Он (новый сверхпроводник) , может быть, появится как эффект, который может быть полезен для квантовых компьютеров или еще чего-то что не требует высокой токонесущей способности.

– В чем самая большая трудность, связанная с высокотемпературными сверхпроводниками, которые потребовали бы совершенно новых технологий?

– Если в случае с низкотемпературными сверхпроводниками можно было металлургическими путями получать проволоку, которая содержит большое количество волокон, то здесь необходимо, чтобы каждое микронного размера зернышко на длине в километр имело строго определенную ориентацию в пространстве. Как только два соседних зерна у нас разориентировались буквально на 7-8 градусов – все, в этом месте пропадает сверхпроводимость, и передача тока невозможна. Поэтому здесь каждый из классов соединений имеет свои ограничения.

Ведь мы имеем и таллиевые, и ртутные соединения, которые работают уже при температуре 150 К, но мы используем тот сверхпроводник, который имеет температуру перехода 90 К. Потому что этого достаточно, чтобы использовать жидкий азот. Здесь разные вещи: температура перехода – это физический параметр, а токонесущая способность часто связана со строением и организацией самого материала, то есть с его микроструктурой. Поэтому здесь всегда могут быть неожиданные открытия.

Например, MgB2. Он открыт достаточно поздно. Сейчас его можно использовать только при водородных температурах, но он тоже имеет свою нишу. Сверхпроводимость состоит из нескольких классов материалов, каждый из которых имеет свою специфическую область применения, свои преимущества. Не факт, что высокая температура гарантирует, что это будет более интересный материал для всей электротехники и энергетики.

– Несколько серьезны затраты на охлаждение сверхпроводника в сравнении с сэкономленной на потерях энергии?

– Если мы говорим о больших энергетических мощностях, которые мы передаем по кабелю – это мегаватты и гигаватты, – то там затраты на охлаждение составляют очень маленькую величину, которая пренебрежимо мала по сравнению с тем, что мы экономим на отсутствии потерь.

Все (Криогеника), конечно, очень быстро развивается. Мы прекрасно знаем, что медицинские томографы стали уже обычной установкой: включили в розетку, и дальше не думаем. То есть они не требуют специального обслуживания. А там температура жидкого гелия, и таких установок выпускаются три или четыре тысячи в год. Они стоят уже практически во всех клиниках, и никто даже не задумывается, что там температура близка к температуре абсолютного нуля.

А в азоте? Установка для ожижения азота это компактное устройство., Можно представить, что на конечной станции маршрута автобуса стоит небольшая будка, которая может производить из воздуха жидкий азот, нарабатывать нужное количество для того, чтобы обеспечить движение троллейбуса, автобуса с электродвигателем на сверхпроводниках.

Подготовил Виктор Фридман

Данные в этой статье приведены по состоянию на конец 1990 — середину 2000 годов. Вы можете помочь, обновив информацию в статье.
Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей.

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП, Высокотемпературные сверхпроводники или Высокие-Tc) — сверхпроводимость при относительно больших температурах. Исторически граничной величиной является температура в 30 К, однако ряд авторов под ВТСП подразумевает сверхпроводники с критической температурой выше точки кипения азота (77 К или −196 °C).

Как и «обычная» сверхпроводимость, явление заключается в полной утрате материалом электрического сопротивления при охлаждении ниже характерной для данного материала критической температуры. А особое их значение заключается в возможности практического использования с более дешевыми и удобными охладителями (жидким водородом, азотом), чем необходимый для классических сверхпроводников жидкий гелий под давлением.

На 2017 год явление наиболее широко известно и изучено в семействе сверхпроводящих керамик (смешанных оксидов) с общей структурной особенностью — слоями компонентов, разделёнными медно-кислородными слоями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди устойчивых при нормальном давлении и температуре сверхпроводников.

Другое

Ограниченность практического применения керамических ВТСП обусловлена тем, что магнитное поле, создаваемое протекающим по ВТСП током, при большой величине приводит к разрушению собственной слоистой структуры проводника и, следовательно, необратимой утрате сверхпроводящих свойств. При этом для сверхпроводящих изделий (как ВТСП, так и классических) достаточно такого нарушения в одной единственной точке, т.к. возникший дефект мгновенно становится участком с большим сопротивлением, на котором выделяется тепло, что вызывает последовательный нагрев соседних участков, т.е. лавинообразный выход из сверхпроводящего состояния всего проводника.

Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Четко сформированной теории сверхпроводимости в оксидных ВТСП в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко множеству интересных экспериментальных и теоретических результатов.

Главной целью исследований в области являются ВТСП — материалы, работающие как минимум при температурах, широко распространенных на Земле (порядка -30°C), как максимум — при комнатной температуре. Их создание привело бы к революции в энергетике и электронике, где значительной проблемой являются потери на сопротивление проводника. Однако в настоящее время (2017) нет уверенности, что такие материалы вообще могут быть получены, т.к. накопленные теоретические знания позволяют оценить верхнюю границу температуры перехода для стабильных материалов при нормальном давлении на уровне -100°C.

Любопытно, что сероводород является самым высокотемпературным сверхпроводником из известных на данный момент, с переходом при температуре 203 К (-70 °C) и давлении 150 ГПа (более 1,4 миллиона атмосфер), обнаруженное исследователями из института имени Макса Планка в 2015 г. Большая величина требуемого давления обуславливает то, что практического применения сероводороду как ВТСП нет и это открытие рассматривается как важное, но экзотическое, стоящее особняком.

Двойниковая структура и обратимая пластичность высокотемпературных сверхпроводников существенно влияет на их сверхпроводящие характеристики.

Интерметаллиды

В 2001 году открыт сплав MgB2 (диборид магния) с рекордной для интерметаллидов температурой перехода в сверхпроводящее состояние Тс= 40 К. Кристаллическая структура этого вещества представляет собой чередующиеся слои бора и слои магния. Слоистость приводит к анизотропии физических свойств, то есть величины электрической проводимости, оптического спектра поглощения, прочности и т. д. различны в плоскости слоёв и в направлении перпендикулярном слоям. Это двухзонное соединение стало первым известным науке сверхпроводником, обладающим сразу двумя сверхпроводящими щелями (двухщелевая сверхпроводимость), что было предсказано теоретически и подтверждено экспериментально. В дырочных квазидвумерных зонах бора (σ-зонах) при переходе в сверхпроводящее состояние в спектре квазичастиц образуется щель Δσ (зона запрещённых энергий для одиночных электронов и дырок) со значениями примерно (10-11) мэВ при максимальных Тс. В трёхмерных зонах магния (π-зонах) также образуется сверхпроводящая щель Δπ с амплитудой примерно (1,5 — 3) мэВ. Таким образом, в сверхпроводящем MgB2 сосуществуют два сверхпроводящих конденсата: изотропный трёхмерный (от π-зон магния) и двумерный дырочный (локализованный в слоях бора).

Внесение примесей других атомов в MgB2, то есть легирование, приводит к понижению критической температуры перехода Тс. Судя по всему, это соединение имеет оптимизированные для сверхпроводимости характеристики от природы и не поддаётся искусственному «улучшению». При понижении Тс от 40 К до 10 К величина малой щели Δπ меняется слабо, а значение большой щели Δσ понижается вместе с критической температурой, экспериментаторы отмечают линейную связь между Тс и Δσ. Характеристическое отношение теории БКШ 2Δσ/kBТс по оценкам ведущих российских экспериментаторов находится в диапазоне 5-7, что говорит о сильном электрон-фононном взаимодействии в слоях бора и приближает MgB2 к купратным ВТСП.

Интерес к практическим применениям диборида магния вызван возможностью использовать данный сверхпроводник при охлаждении жидким водородом вместо дорогостоящего жидкого гелия. Развитие технологий синтеза диборида магния позволило создать первые сверхпроводящие МРТ на основе MgB2 в 2006 году.

Сверхпроводники на основе железа

В 2008 году произошло открытие нового класса сверхпроводящих соединений с высокими значениями критической температуры Tc — слоистых соединений на основе железа и элементов V группы (пниктидов) либо Se, так называемых ферропниктидов или селенидов железа. Впервые было обнаружено сверхпроводящее состояние у соединений, содержащих атомы Fe. Кристаллическая структура всех железосодержащих сверхпроводников (уже известно 6 семейств) представляет собой чередующиеся слои, в которых атомы железа окружены тетраэдром из атомов As или Se. На данный момент рекордсменом по значению Tc является соединение GdOFeAs (Gd-1111), допированное фтором, который замещает кислород. Его Tc достигает 55 К.

Все железосодержащие сверхпроводники обладают многозонной структурой и квазидвумерны (проявляют анизотропию свойств в направлении поперёк плоскостей). При переходе в сверхпроводящее состояние в каждой зоне открывается собственная щель в квазичастичном спектре, что приводит к появлению как минимум двух сверхпроводящих конденсатов и многощелевой сверхпроводимости, подобной случаю MgB2 (диборида магния). Характеристическое отношение теории БКШ 2Δбольшая/kBТс по оценкам российских экспериментаторов находится в диапазоне 4,6 — 6.

Органические сверхпроводники

В конце 1960-х — начале 1970-х гг. были большие надежды на синтез органических комплексов с переносом заряда (КПЗ) — например, комплексов en:TCNQ-TTF (тетрацианохинодиметан-тетратиафульвален). Однако, несмотря на синтез ряда перспективных соединений, оказалось, что сверхпроводимость в этих комплексах неустойчива даже при небольших плотностях тока.

  1. А.П. Дроздов, М.И. Еремец, И.А. Троян, В. Ксенофонтов, С.И. Шилин. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system // Nature. — 2015. — Т. 525. — С. 73-76. — ISSN 1476-4687.
  2. Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra, Zachary M. Geballe, Maria Baldini. Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures // arXiv:1808.07695 . — 2018-08-23.
  3. Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки // РИА Новости, 23 апреля 2019
  4. https://arxiv.org.
  5. Бойко, 1991, с. 238, 244.
  6. Найдено новое семейство сверхпроводников, содержащих железо (31.10.08). Дата обращения 3 ноября 2011. Архивировано 17 февраля 2012 года.
  7. Alaska Subedi, Lijun Zhang, David J. Singh, Mao-Hua Du. Density functional study of FeS, FeSe and FeTe: Electronic structure, magnetism, phonons and superconductivity (англ.). — 2008. — DOI:10.1103/PhysRevB.78.134514.

> Ссылки

  • Открытие высокотемпературной сверхпроводимости
  • Изотопический эффект в ВТСП-соединениях

Литература

  • Максимов Е. Г. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости. Современное состояние // Успехи физических наук, 2000, т. 170, № 10, c. 1033—1061.
  • Садовский М. В. Псевдощель в высокотемпературных сверхпроводниках // Успехи физических наук, 2001, т. 171, № 5, c. 539—564.
  • Аксенов В. Л. Нейтронография купратных высокотемпературных сверхпроводников // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 701—705.
  • Пономарев Я. Г. Туннельная и андреевская спектроскопия высокотемпературных сверхпроводников // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 705—711.
  • Копаев Ю. В. Модели высокотемпературной сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 712—715.
  • Черноплеков Н. А. Состояние работ по сильноточной прикладной сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 716—722.
  • Белявский В. И., Копаев Ю. В. Обобщающий взгляд на природу высокотемпературной сверхпроводимости (по материалам M2S-HTSC-VII) // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 4, c. 457—465.
  • Мицен К. В., Иваненко О. М. Фазовая диаграмма L a 2 − x M x C u O 4 {\displaystyle La_{2-x}M_{x}CuO_{4}} как ключ к пониманию природы ВТСП // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 5, c. 545—563.
  • Елесин В. Ф., Капаев В. В., Копаев Ю. В. Существование ферромагнетизма и неоднородной сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 9, c. 1017—1022.
  • Максимов Е. Г. Высокотемпературная сверхпроводимость сегодня // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 9, c. 1026—1027.
  • Гинзбург В. Л. Несколько замечаний об изучении сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 2, c. 187—190.
  • В. Л. Гинзбург, Д. А. Киржниц Высокотемпературная сверхпроводимость (обзор теоретических представлений) // Успехи физических наук, т. 152, с. 575—582 (1987).
  • Белявский В. И., Копаев Ю. В. Первая Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» // Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 2, c. 191—196.
  • Еремец М. И., Дроздов А. П. Высокотемпературные обычные сверхпроводники // Успехи физических наук, 2016, т. 186, № 10, c. 1257–1263.
  • Воронов В. К., Подоплелов А. В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние, 2-е изд., М.: ЛКИ, 2012, 336 стр., ISBN 978-5-382-01365-7
  • Кордюк А. А. «ARPES-эксперимент в фермиологии квазидвумерных металлов» // Физика Низких Температур, 2014, т. 40, № 4, c. 375—388.
  • Бойко В. С., Гарбер Р. И., Косевич А. М. Обратимая пластичность кристаллов. — М.: Наука, 1991. — 280 с.
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 13 мая 2011 года.

Сверхпроводимость

Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом

Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объёма сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.

Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре кипения жидкого гелия (4,2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешёвой криогенной жидкости.

История открытия

Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски и Кароль Ольшевски выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород.

В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий гелий. Позднее ему удалось довести его температуру до 1 Кельвина. Камерлинг-Оннес использовал жидкий гелий для изучения свойств металлов, в частности, для измерения зависимости их электрического сопротивления от температуры. Согласно существовавшим тогда классическим теориям, сопротивление должно было плавно падать с уменьшением температуры, однако существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны практически остановятся и металл совсем перестанет проводить ток. Эксперименты, проводившиеся Камерлингом-Оннесом со своими ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом, вначале подтверждали вывод о плавном спадании сопротивления. Однако 8 апреля 1911 года он неожиданно обнаружил, что при 3 Кельвинах (около −270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Следующий эксперимент, проведённый 11 мая, показал, что резкий спад сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К (позднее более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К). Этот эффект был совершенно неожиданным и не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями.

В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово. В январе 1914 года было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем. В 1919 году было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.

Нулевое сопротивление — не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.

Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году братьями Фрицем и Хайнцем Лондоном. Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга — Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.

Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I рода (к ним, в частности, относится ртуть) и II рода (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е.

Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока. Так, в 1960 году под руководством Дж. Кюнцлера был открыт материал Nb3Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².

В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт эффект, получивший его имя.

В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных. В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) испытывают скачок сопротивления практически до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y—Ba—Cu—O). По состоянию на 1 января 2006 года, рекорд принадлежит керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), открытому в 2003 году, критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К.

В 2015 году был установлен новый рекорд температуры, при которой достигается сверхпроводимость. Для H2S (сероводород) при давлении 100 ГПа был зафиксирован сверхпроводящий переход при температуре 203 К (-70 °C).

В 2017 году было обнаружено явление сверхпроводимости графена толщиною в два атомных слоя, повернутых друг относительно друга на угол 1.1°.

Классификация

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Существует несколько критериев для классификации сверхпроводников. Вот основные из них:

  • По их отклику на магнитное поле: они могут быть I рода, что значит, что они имеют единственное значение магнитного поля, Hc, выше которого они теряют сверхпроводимость. Или II рода, подразумевающего наличие двух критических значений магнитного поля, Hc1 и Hc2,. При приложении магнитного поля в этом диапазоне происходит частичное его проникновение в сверхпроводник с сохранением сверхпроводящих свойств.
  • По теории, объясняющей их (БКШ или нет).
  • По их критической температуре: низкотемпературные, если Tc < 77 K (ниже температуры кипения азота), и высокотемпературные.
  • По материалу: чистый химический элемент (такие как свинец или ртуть, однако не все элементы в чистом виде достигают сверхпроводящего состояния), сплавы (например, NbTi), керамика (например, YBCO, MgB2), сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники, графен и т. п.
  • Молекулы органических веществ, содержащие π {\displaystyle \pi } — электронную систему, являются миниатюрными сверхпроводниками, в которых π {\displaystyle \pi } — электроны образуют связанные электронные пары.

Свойства сверхпроводников

Нулевое электрическое сопротивление

Электрические кабели для ускорителей в CERN: сверху обычные кабели для Большого электрон-позитронного коллайдера; внизу — сверхпроводящие для Большого адронного коллайдера.

Для постоянного электрического тока электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю. Это было продемонстрировано в ходе эксперимента, где в замкнутом сверхпроводнике был индуцирован электрический ток, который протекал в нём без затухания в течение 2,5 лет (эксперимент был прерван забастовкой рабочих, подвозивших криогенные жидкости).

Сверхпроводники в высокочастотном поле

Строго говоря, утверждение о том, что сопротивление сверхпроводников равно нулю, справедливо только для постоянного электрического тока. В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника отлично от нуля и растёт с увеличением частоты поля. Этот эффект на языке двухжидкостной модели сверхпроводника объясняется наличием, наравне со сверхпроводящей фракцией электронов, также и обычных электронов, число которых, однако, невелико. При помещении сверхпроводника в постоянное поле это поле внутри сверхпроводника обращается в нуль, поскольку иначе сверхпроводящие электроны ускорялись бы до бесконечности, что невозможно. Однако в случае переменного поля поле внутри сверхпроводника отлично от нуля и ускоряет в том числе и нормальные электроны, с которыми связаны и конечное электрическое сопротивление, и джоулевы тепловые потери. Данный эффект особо ярко выражен для таких частот света, для которых энергии кванта h ν {\displaystyle h\nu } достаточно для перевода сверхпроводящего электрона в группу нормальных электронов. Эта частота обычно лежит в инфракрасной области (около 1011 Гц), поэтому в видимом диапазоне сверхпроводники практически ничем не отличаются от обычных металлов.

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Характер изменения теплоемкости (cv, синий график) и удельного сопротивления (ρ, зелёный), при фазовом переходе в сверхпроводящее состояние

Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение Тс — температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Тс изменяются в пределах от 0,0005 К у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB2) у низкотемпературных сверхпроводников (Тс ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135 К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников.

В настоящее время фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg−1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры — 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4,15 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К). В 2000 г. было показано, что небольшое фторирование упомянутой выше ртутной керамики позволяет поднять критическую температуру при обычном давлении до 138 К.

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Тc теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а, следовательно, терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода. Такая температурная зависимость теплоемкости электронной подсистемы сверхпроводника свидетельствует о наличии энергетической щели в распределении электронов между основным состоянием сверхпроводника и уровнем элементарных возбуждений. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля, то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температура понижается). А это соответствует фазовому переходу Ι рода. Для сверхпроводников ΙΙ рода переход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ΙΙ рода.

Эффект Мейснера

Основная статья: Эффект Мейснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в вытеснении постоянного магнитного поля из сверхпроводника. Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Нc, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Нc возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением

H c ( T ) = H c 0 ( 1 − T 2 T c 2 ) {\displaystyle H_{c}(T)=H_{c0}\left(1-{\frac {T^{2}}{T_{c}^{2}}}\right)} ,

где H c 0 {\displaystyle H_{c0}} — критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая j c {\displaystyle j_{c}} , поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического.

Разрушение сверхпроводящего состояния под действием магнитного поля отличается у сверхпроводников I и II рода. Для сверхпроводников II рода существует 2 значения критических поля: Нc1 при котором магнитное поле проникает в сверхпроводник в виде вихрей Абрикосова и Нc2 — при котором происходит исчезновение сверхпроводимости.

Эффект Литтла — Паркса

Основная статья: Эффект Литтла — Паркса

В 1962 году учёными Литтлом и Парксом было обнаружено, что температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока) зависит от величины магнитного потока. Этот эффект является одним из проявлений макроскопической квантовой природы сверхпроводимости.

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Изотопический эффект

Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Тс обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего элемента. Как следствие моноизотопные препараты несколько отличаются по критическим температурам от природной смеси и от друг друга.

Момент Лондона

Запрос «Момент Лондона» перенаправляется сюда. На эту тему нужна отдельная статья.

Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона». Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B», где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов, чтобы определить их оси вращения. Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы, использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения.

Гравитомагнитный момент Лондона

Запрос «Гравитомагнитный момент Лондона» перенаправляется сюда. На эту тему нужна отдельная статья.

Вращающееся и при этом ускоряющееся, то есть наращивающее частоту оборотов кольцо из сверхпроводника генерирует гравитационное поле. Эксперименты, связанные с гравитомагнитным моментом Лондона, проводились Мартином Таджмаром из австрийской компании ARC Seibersdorf Research и Кловисом де Матосом из Европейского космического агентства (ESA) в 2006 году. Экспериментаторы впервые измерили искусственно созданное таким образом гравитомагнитное поле. Таджмар и де Матос полагают, что данный эффект объясняет загадку в различии измеренной ранее с высокой точностью массы куперовских пар (это электроны, обеспечивающие проводимость в сверхпроводнике) и этой же массой, полученной на бумаге — по расчётам квантовой теории.

Экспериментально обнаруженный гравитационный эффект исследователи назвали «Гравитомагнитный момент Лондона», по аналогии с аналогичным магнитным эффектом: возникновением магнитного поля при вращении сверхпроводника, называемым «момент Лондона».

Вызванное таким способом поле было в 100 миллионов раз слабее гравитационного поля Земли. И хотя этот эффект и был предсказан Общей теорией относительности, данная напряжённость поля оказалась на 20 порядков сильнее расчётного значения.

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Полностью удовлетворительная микроскопическая теория сверхпроводимости в настоящее время отсутствует.

Уже на относительно ранней стадии изучения сверхпроводимости, во всяком случае после создания теории Гинзбурга — Ландау, стало очевидно, что сверхпроводимость является следствием объединения макроскопического числа электронов проводимости в единое квантово-механическое состояние. Особенностью связанных в такой ансамбль электронов является то, что они не могут обмениваться энергией с решёткой малыми порциями, меньшими, чем их энергия связи в ансамбле. Это означает, что при движении электронов в кристаллической решётке не изменяется энергия электронов, и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления. Такое объединение частиц невозможно в ансамбле фермионов. Оно характерно для ансамбля тождественных бозонов. То, что электроны в сверхпроводниках объединены в бозонные пары, следует из экспериментов по измерению величины кванта магнитного потока, который «замораживается» в полых сверхпроводящих цилиндрах. Поэтому уже в середине XX века основной задачей создания теории сверхпроводимости стала разработка механизма спаривания электронов. Первой теорией, претендующей на микроскопическое объяснение причин возникновения сверхпроводимости, была теория Бардина — Купера — Шриффера, созданная ими в 50-е годы XX столетия. Эта теория получила под именем БКШ всеобщее признание и была удостоена в 1972 году Нобелевской премии. При создании своей теории авторы опирались на изотопический эффект, то есть влияние массы изотопа на критическую температуру сверхпроводника. Считалось, что его существование прямо указывает на формирование сверхпроводящего состояния за счет работы фононного механизма.

Теория БКШ оставила без ответа некоторые вопросы. На её основе оказалось невозможно решить главную задачу — объяснить, почему конкретные сверхпроводники имеют ту или иную критическую температуру. К тому же дальнейшие эксперименты с изотопическими замещениями показали, что из-за ангармоничности нулевых колебаний ионов в металлах существует прямое воздействие массы иона на межионные расстояния в решетке, а значит и прямо на значение энергии Ферми металла. Поэтому стало понятно, что существование изотопического эффекта не является доказательством фононного механизма, как единственно возможного ответственного за спаривание электронов и возникновение сверхпроводимости. Неудовлетворенность теорией БКШ в более поздние годы привела к попыткам создать другие модели, например, модель спиновых флуктуаций и биполяронную модель. Однако, хотя в них рассматривались различные механизмы объединения электронов в пары, к прогрессу в понимании явления сверхпроводимости эти разработки тоже не привели.

Основную проблему для теории БКШ представляет существование высокотемпературной сверхпроводимости, которую этой теорией описать не получается.

Применение сверхпроводимости

Левитация YBCO в условиях сверхпроводимости

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa2Cu3Ox, получены вещества, для которых температура Тc перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота). К сожалению, практически все высокотемпературные сверхпроводники не технологичны (хрупки, не обладают стабильностью свойств и т. д.), вследствие чего в технике до сих пор применяются в основном сверхпроводники на основе сплавов ниобия.

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей (например, в циклотронах), поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока (вихри Абрикосова). Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля Hc2. В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

Соединение Tc, K jc, А/см2 (Тл), при 4,2 К Bc, Тл (T, K)
NbTi 9,5-10,5 (3-8)⋅104 (5) 12,5-16,5 (1,2)
12 (4,2)
Nb3Sn 18,1-18,5 (1-8)⋅105 (0) 24,5-28 (0)
NbN 14,5-17,8 (2-5)⋅107 (18) 25 (1,2)
8-13 (4,2)

Существуют детекторы фотонов на сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют также эффект Джозефсона, андреевское отражение и т. д. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУ и др.), использующими другие способы регистрации.

Сравнительные характеристики наиболее распространенных детекторов ИК-диапазона, основанные не на свойствах сверхпроводимости (первые четыре), а также сверхпроводниковые детекторы (последние три):

Вид детектора Максимальная скорость счета, c−1 Квантовая эффективность, % R d k {\displaystyle R_{dk}} , c−1 NEP Вт / Hz {\displaystyle /{\sqrt {\text{Hz}}}}
InGaAs PFD5W1KSF APS (Fujitsu) 1⋅106 ≈20 ≈6⋅103 ≈1⋅10-17
R5509-43 PMT (Hamamatsu) 9⋅106 1 1,6⋅104 ≈1⋅10-16
Si APD SPCM-AQR-16 (EG\&G) 5⋅106 0,01 ≈1⋅10-16
Mepsicron-II (Quantar) 1⋅106 0,001 0,1
STJ 5⋅103 60
TES 5⋅103 90 менее 1⋅10-3 менее 1⋅10-19
SSPD 7⋅107 30 менее 1⋅10-3 6⋅10-18

Вихри в сверхпроводниках второго рода можно использовать в качестве ячеек памяти. Подобное применение уже нашли некоторые магнитные солитоны. Существуют и более сложные дву- и трёхмерные магнитные солитоны, напоминающие вихри в жидкостях, только роль линий тока в них играют линии, по которым выстраиваются элементарные магнитики (домены).

Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает привлекательным применение сверхпроводящих кабелей для доставки электричества, так как один тонкий подземный кабель способен передавать мощность, которая традиционным методом требует создания цепи линии электропередач с несколькими кабелями много большей толщины. Проблемами, препятствующими широкому использованию, является стоимость кабелей и их обслуживания — через сверхпроводящие линии необходимо постоянно прокачивать жидкий азот. Первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередачи была запущена в эксплуатацию фирмой American Superconductor на Лонг-Айленде в Нью-Йорке в конце июня 2008 года. Энергосистемы Южной Кореи собираются создать к 2015 году сверхпроводящие линии электропередачи общей длиной в 3000 км.

Важное применение находят миниатюрные сверхпроводящие приборы-кольца — сквиды, действие которых основано на связи изменения магнитного потока и напряжения. Они входят в состав сверхчувствительных магнитометров, измеряющих магнитное поле Земли, а также используемых в медицине для получения магнитограмм различных органов.

Сверхпроводники также применяются в маглевах.

Явление зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние от величины магнитного поля используется в криотронах — управляемых сопротивлениях.

На основе сверхпроводников созданы сверхмощные турбогенераторы КГТ-20 и КГТ-1000 .

См. также

  • Эффект Мейснера
  • Эффект Джозефсона
  • Высокотемпературная сверхпроводимость
  • Теория Гинзбурга — Ландау
  • Теория БКШ
  • СКВИД
  • ВТСП
  1. Kamerlingh Onnes H. // Communications Leiden. — 1911. — P. 81—83.
  2. Открытие сверхпроводимости — глава из книги Дж. Тригг «Физика XX века: Ключевые эксперименты»
  3. Dirk van Delft and Peter Kes. The discovery of superconductivity (англ.) // Physics Today. — 2010. — Vol. 63. — P. 38—43. (недоступная ссылка)
  4. Алексей Левин. Сверхпроводимость отмечает столетний юбилей. Элементы.ру (8 апреля 2011). Дата обращения 8 апреля 2011. Архивировано 23 августа 2011 года.
  5. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Глава 1. Открытие сверхпроводимости // Сверхпроводимость. — 2-е издание, переработанное иг дополненное. — Альфа-М, 2006. — 112 с. — 3000 экз. — ISBN 5-98281-088-6.
  6. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Глава 5. Звезда сверхпроводимости // Сверхпроводимость. — 2-е издание, переработанное и дополненное. — Альфа-М, 2006. — 112 с. — 3000 экз. — ISBN 5-98281-088-6.
  7. A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, S. I. Shylin. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system (англ.) // Nature. — 2015. — DOI:10.1038/nature14964.
  8. Эксперты подтвердили сверхпроводимость обычного сероводорода, N+1 (18 августа 2015). Дата обращения 22 августа 2015.
  9. 1 2 Yuan Cao, Valla Fatemi, Shiang Fang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Efthimios Kaxiras & Pablo Jarillo-Herrero Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices // Nature, volume 556, pages 43–50, (05 April 2018)
  10. Сверхпроводимость и сверхтекучесть, 1978, с. 129.
  11. Сивухин Д. В. § 80. Сверхпроводники и их магнитные свойства // Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 333. — 688 с.
  12. Успехи химии. — 2000. — Т.69, № 1. стр. 3-40
  13. W. A. Little and R. D. Parks, Physical Review Letters, Vol.9, page 9, (1962).
  14. M.Tinkham, Phys.Rev. 1963,129, p.2413
  15. М.Тинкхам, Введение в сверхпроводимость. Атомиздат М.1980
  16. Сверхпроводимость и сверхтекучесть, 1978, с. 20.
  17. Towards a new test of general relativity?. Дата обращения 7 июня 2017.
  18. M. Tajmar, F. Plesescu, K. Marhold, C. J. de Matos. Experimental Detection of the Gravitomagnetic London Moment // arXiv:gr-qc/0603033. — 2006-03-09.
  19. 1 2 Европейцы провели опыты по искусственной гравитации. www.membrana.ru. Дата обращения 7 июня 2017.
  20. Физика низких температур, 1963, с. 151.
  21. SCONTEL-Products
  22. Число срабатываний детектора при отсутствии излучения
  23. NEP (Noise-equivalent power) — эквивалентная мощность шума. Под эквивалентной мощностью шума понимают среднеквадратическое значение мощности флуктуаций светового потока, падающего на фотоприемник, при котором в фотоприемнике при отсутствии собственных шумов возникали бы флуктуации тока, соответствующие наблюдаемым флуктуациям, обусловленным собственным шумом.
  24. Monica Heger. Superconductors Enter Commercial Utility Service. IEEE Spectrum. Дата обращения 19 января 2012. Архивировано 14 февраля 2010 года.
  25. Joseph Milton. Superconductors come of age. Nature — News. Дата обращения 19 января 2012. Архивировано 9 октября 2010 года.
  26. Гинзбург В.Л., Андрюшин Е.А. Применение слабой сверхпроводимости — сквиды // Сверхпроводимость. — М.: Педагогика, 1990. — С. 92—95. — 112 с. — (Учёные — школьнику). — ISBN 5715503051.
  27. Глебов, 1981.
  • Боголюбов Н. Н., Толмачев В. В., Ширков Д. В. Новый метод в теории сверхпроводимости. — М.: Изд-во АН СССР, 1958.
  • Боголюбов Н. Н. Собрание научных трудов. Т. 8: Теория сверхтекучести бозе- и ферми-систем, 1946—1992. // Ред. Н. М. Плакида, А. Д. Суханов. — М.: Наука, 2007. ISBN 978-5-02-035723-5.
  • В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость. — М.: Альфа-М, 2006.
  • Мендельсон К. Физика низких температур. — М.: ИЛ, 1963. — 230 с.
  • Кресин В. З. Сверхпроводимость и сверхтекучесть. — М.: Наука, 1978. — 187 с.
  • Бондарев Б.В. Метод матриц плотности в квантовой теории сверхпроводимости. — М.: Спутник, 2014. — 88 с.
  • Тилли Д. Р., Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. — М.: Мир, 1977. — 304 с.
  • Глебов И. А. Турбогенераторы с использованием сверхпроводимости. — Л.: Наука : Ленингр. отд-ние, 1981. — 231 с.
  • Rey C.M., Malozemoff A.P. Fundamentals of superconductivity // Superconductors in the Power Grid. — 2015. — P. 29-73. — ISBN 9781782420293. — DOI:10.1016/B978-1-78242-029-3.00002-9.
  • Charles P. Poole, Horacio A. Farach, Richard J. Creswick and Ruslan Prozorov. Superconductivity. — Amsterdam: Elsevier Science, 2014. — ISBN 978-0-12-409509-0.
  • Bishop D.J. Superconductivity: Applications // Encyclopedia of Condensed Matter Physics. — 2005. — P. 66-72. — ISBN 9780123694010. — DOI:10.1016/b0-12-369401-9/00708-7.
Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *