Высокотемпературная сверхпроводимость

В 1986 г. Беднорз и Мюллер сообщили об открытии ими сверхпроводимости в соединении окиси лантана, бария и меди с

(Нобелевская премия, 1987). Это принципиально новый сверхпроводящий материал, относящийся к керамикам (носители заряда – дырки).

Состав керамики Керамический материал состоит из нескольких фаз. Основными фазами являются кристаллическая (одна или несколько) и стекловидная. Кристаллическая фаза определяет характерные свойства керамического материала и представляет собой химические соединения или твердые растворы этих соединений. Основные физические свойства керамики — электрические, пьезоэлектрические, магнитные, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность — во многом зависят от особенностей кристаллической фазы. Стекловидная фаза находится в керамическом материале в виде прослоек, связывающих кристаллическую фазу. Количество стекловидной фазы и ее состав определяют в основном технологические свойства керамики — температуру спекания, степень пластичности керамической массы при формовании. От содержания стекловидной фазы зависят также плотность, степень пористости и гигроскопичность материала. Наличие газовой фазы (газы находятся в закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектрические потери при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации газовых включений. Поры ухудшают свойства керамики, особенно при повышенной влажности. Преимуществом керамики является возможность получения заранее заданных характеристик путем изменения состава массы и технологии производства. Керамические материалы благодаря таким свойствам, как высокая нагревостойкость, отсутствие у большинства материалов гигроскопичности, хорошие электрические (пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические) и магнитные характеристики при достаточной механической прочности, стабильности характеристик и надежности, стойкость к воздействию излучения высокой энергии и использование достаточно дешевого и доступного сырья обеспечило их широкое применение в различных областях.

Исследование керамик позволило Чу уже через полгода открыть сверхпроводимость оксида иттрия, бария и меди с , после этого исследования стали активно развиваться. Экспериментально установлено: высокотемпературная сверхпроводимость свойственна материалам с содержанием меди; она обусловлена дырками и не допускает замещения меди другим элементом. Далее были обнаружены и безмедные сверхпроводники, а также сверхпроводники с носителями заряда – электронами. Рекордное значение на сегодня около 100 С ниже нуля.

В начале 1990-х гг. началось применение ВТСП в конкретных устройствах и изделиях. Постепенно были разработаны и созданы образцы ВТСП проводов и кабелей, разных форм и размеров, на основе сверхпроводящей керамики были изготовлены ВТСП двигатели, генераторы, ограничители тока, , информационные системы, антенные решетки, сверхпроводящие подшипники и другие изделия. В 2004 г. были созданы сверхпроводящие прототипы всех электрических устройств. Решающими здесь являются открывающиеся возможности по передаче, превращению и сохранению энергии. В частности, системные применения сверхпроводимости охватывают (а) сверхпроводящие магнитные устройства; (б) криогенные хранилища; (в) космические платформы; (г) научные инструменты; (д) вращающиеся накопители энергии. Например, как показали эксперименты, поезда, использующие эффект магнитной левитации (MagLev), в которых дно тележки включает ВТСП плавленую керамику, а рельсы представляют собой магниты, могут развивать скорость до 1000 км/ч! Не обошелся без сверхпроводящих изделий и большой адронный коллайдер, запущенный, в частности с целью поиска таинственных бозонов Хиггса в ноябре 2009 года. Он является крупнейшей экспериментальной установкой из когда-либо существовавших в мире. В туннеле длиной 27 км установлено свыше 8 тысяч сверхпроводящих магнитов (с общим весом сверхпроводящих материалов около 1200 т), использованных для создания детекторов и предускорителей элементарных частиц в коллайдере. Другим применением сверхпроводимости по праву может стать сверхпроводниковый квантовый компьютер. Его создание связано с экспериментальным воплощением квантового бита на основе сверхпроводящей структуры - главным преимуществом такой структуры по сравнению с другими твёрдотельными аналогами (одноэлектронными структурами) даже в рамках современной технологии. Наличие сверхпроводящего состояния означает, что даже многоэлектронная система может в этом случае находиться в основном самом низком по энергии состоянии достаточно долго, поскольку все возбуждения этого состояния отделены энергетической щелью. Эта же причина обусловливает большое время декогерентизации в системе. Структура сверхпроводящего квантового бита может быть изготовлена с помощью традиционной технологии джозефсоновских контактов (переходов). Архитектура построения сверхпроводникового квантового компьютера является гибридной нитевидной архитектурой (Hybrid Technology Multi-Threaded architecture, HTMT), которая позволяет в 250 раз увеличить быстродействие сегодняшних самых скоростных компьютеров.