5.7. Сверхпроводящие материалы.
Понижение температуры способствует монотонному падению электросопротивления проводниковых материалов. Некоторые материалы и сплавы при значениях температуры, близких к абсолютному нулю, приобретают свойство сверхпроводимости, характеризующейся аномально низким удельным электросопротивлением (около 10-25 Ом*м). Такие материалы называют сверхпроводящими.
Термин сверхпроводимость обозначает, что проводимость бесконечна, сопротивление равно нулю.
Явление сверхпроводимости открыто в 1911 году голландским физиком X. Камерлинг-Оннесом, впервые получившим жидкий гелий и открывшим путь к систематическим исследованиям материалов при температурах, близких к абсолютному нулю. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при 4К ртуть полностью теряет электрическое сопротивление и становится сверхпроводником (СП). В 1933 году В. Мейснер и Р. Оксенфельд показали, что СП одновременно является идеальным диамагнетиком, то есть полностью выталкивает линии магнитного поля из объема СП.
Теоретически сверхпроводимость была объяснена только в пятидесятых годах двадцатого века физиками Бардиным, Купером, Шрифером – теория БКШ. Согласно теории явление сверхпроводимости обусловлено образованием пар электронов с противоположными спинами и импульсами. В проводнике, находящемся в обычном состоянии, каждый электрон взаимодействует с положительными ионами решетки, образуя «положительно заряженную область». При снижении температуры до критической электроны перестают взаимодействовать с ионами решетки и образуют пары, которые могут привести к реализации явления сверхпроводимости. С повышением температуры при тепловом движении электропроводных пар они разрушаются, и сверхпроводник приобретает обычную проводимость. Под действием магнитного поля, напряженность которого превосходит критическую, сверхпроводимость проводника также исчезает.
Переход металла в состояние сверхпроводимости представляет собой фазовое превращение. В настоящее время сверхпроводимость обнаружена у 10 непереходных из 24 переходных металлов.
Примеси оказывают существенное влияние на свойства сверхпроводящих металлов. Металлические примеси оказывают меньшее влияние на температуру перехода в сверхпроводящее состояние, которая обозначается как Ткр или Тс. Сверхпроводящие металлы образуют сплавы со свойствами сверхпроводимости. К наиболее перспективным сверхпроводящим относят сплавы систем Nb-Zr, Nb-Ti, V-Ti, Ta-Ti. Сплав Nb + 60% Ti имеет Ткр= 10К.
Наиболее высокими температурами перехода в сверхпроводящее состояние характеризуются интерметаллические соединения со структурой типа -W(А3В), где A-Ti, V, Cr, Zn, Nb; B-Al, Si, Ga, Ge, Sn. Для соединения Nb3Ga T = 20,3K, Nb3Ge - TKp = 23,2K.
Сверхпроводимость открывает фантастические возможности для создания эффективных систем производства, накопления и передачи энергии на большие расстояния, сверхмощных генераторов, высокоскоростного транспорта на магнитной подушке, мощных магнитных систем, необходимых для осуществления термоядерного синтеза, ускорителей элементарных частиц, сверхбыстрых компьютеров и чувствительных диагностических устройств, способных реагировать на мельчайшие отклонения в психическом состоянии человека. Однако длительное время на пути к практической реализации этих идей существовала фундаментальная преграда — крайне низкая температура перехода в СП-состояние, называемая также критической температурой. За 75 лет ее удалось поднять до 23,2K (рекордсменами оказались сплавы ниобия с германием), что означало необходимость использования в качестве хладагента дорогого и крайне капризного в эксплуатации жидкого гелия.
Громом среди ясного неба стала публикация 18 октября 1986 года в журнале "Zeitschrift fur Physik" статьи швейцарских ученых И. Беднорца и К. Мюллера о способности керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La2-x,BaxCuO4) переходить в СП-состояние при 30 К.
Самым поразительным в этом открытии было то обстоятельство, что сверхпроводимость проявляли не особые органические или полимерные структуры, на которые возлагали надежды физики-теоретики, а оксидная керамика, для которой более характерны диэлектрические свойства.
Февраль 1987 года — исследователи Техасского университета синтезируют СП-керамику из оксидов бария, иттрия и меди YBa2Cu3O7-x с критической температурой Tc = 93К, то есть выше точки кипения жидкого азота.
В апреле 1987 года были созданы первые образцы СП оксидных пленок и покрытий, проволок и соленоидов, показавшие, что высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) может стать технической реальностью. Большинство ВТСП - материалов являются исключительно сложными по составу оксидными фазами переменного состава, крайне чувствительными к условиям синтеза, термообработки и последующей эксплуатации. Они по праву получили название химических СП, так как именно химические факторы (состав, кристаллическая и керамическая структура, способ приготовления и переработки исходных реагентов, условия термической обработки и спекания) в первую очередь определяют важнейшие технические параметры СП, будь то критическая температура, критическое магнитное поле или критическая плотность тока.
Рекордсменом является материал HgBa2Ca2Cu3O8+x (Hg-1223), имеющий критическую температуру 135К. При наложении внешнего давления 350 тыс. атм. температура перехода возрастает до 164К, что лишь на 19К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли (рис. 5.2, 5.3.).
Рис. 5.2. Последовательность открытия веществ, проявляющих сверхпроводящие свойства.
Рис. 5.3. Возможные области применения материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью.