ИЭ / Экзамен / Учебное пособие ЭТМ

геометрии). Например, введение ртути в нанопористое стекло привело к увеличению критической магнитной индукции ртути приблизительно в сто раз при температуре 2,1 К. Для ртутных нанопроволок, полученных вдавливанием ртути в каналы хризотилового асбеста, увеличение Вс, экстраполированное к 0 К, составило приблизительно двести раз для диаметра канала 6 нм и приблизительно шестьсот раз для диаметра канала 2 нм.

Эффект Джозефсона

В 1962 г. Б. Джозефсон из Кембриджского университета (Англия) на основе теоретического анализа предсказал явление квантовомеханического туннелирования сверхпроводящих электронов через тонкую (10- 7-10- 9 м) диэлектрическую прослойку («слабая связь») между двумя частями сверхпроводника. Туннелирование обусловлено тем, что электрон имеет волновую функцию, которая распространяется на некоторое расстояние, обеспечивая взаимодействие между электронами в разных частях сверхпроводника.

Рис. 6.6. Стационарный эффект Джозефсона

Теорией было предсказано существование двух эффектов — стационарного (рис. 6.6), когда I меньше Ic, где Ic — критический ток слабой связи, и UАВ = 0, и нестационарного (рис. 6.7), когда I больше Ic и UАВ больше 0. В случае нестационарного эффекта на диэлектрической прослойке будет небольшое падение напряжения, равное

173

Суть нестационарного эффекта — электрон с более высокого энергетического уровня переходит на более низкий, излучая при этом энергию в СВЧ или ИК диапазонах (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Нестационарный эффект Джозефсона

Экспериментально стационарный эффект был обнаружен в 1963 г. П. Андерсоном и Дж. Роуэлллом (США). Нестационарный эффект был обнаружен впервые в Харьковском Физико-техническом институте в 1964 г. (на полгода раньше, чем в Принстонском университете, США). В эксперименте при Т менее Тс, действительно, наблюдалось СВЧ излучение с частотой 1010 Гц мощностью около 10- 14 Вт.

За теоретическое предсказание эффекта Б. Джозефсону была присуждена Нобелевская премия по физике за 1973 г.

На основе эффекта Джозефсона был создан сверхпроводниковый квантовый интерференционный детектор (СКВИД). Это измерительный прибор, обладающий исключительно высокой чувствительностью. С его помощью можно измерять напряжения до 10- 15 В, магнитную индукцию до 10- 14 Тл, мощность до 10- 14 Вт. По чувствительности СКВИД превосходит на порядки другие измерительные приборы, основанные на иных принципах измерений.

СКВИД включает в себя два элемента слабой связи, находящихся во внешнем магнитном поле при Т меньше Тс. Зависимость максимального тока через СКВИД в зависимости от магнитного потока определяется нижеприведенной формулой и имеет вид осциллирующей кривой (рис. 6.8):

174

где Ic — критический ток, зависящий от параметров перехода; Ф — магнитный поток (Ф = В·S); В — магнитная индукция; S — площадь; Ф0 = h/2e = 2·10- 15 Вб — квант магнитного потока.

IMAX

2IC

Рис. 6.8. Зависимость максимального тока от величины магнитного потока

Осциллирующая функция полного тока через СКВИД зависит от кванта магнитного потока, и это подтверждает гипотезу, впервые высказанную самим Х. Камерлинг-Оннесом еще в 1925 г., о том, что явление сверхпроводимости имеет квантовую природу.

СКВИДы широко используются в различных областях науки и техники для прецизионных измерений.

6.3. СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сверхпроводниковые материалы в зависимости от величины Тс делятся на две группы:

низкотемпературные («холодные») сверхпроводники; высокотемпературные («теплые») сверхпроводники. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) имеют Тс мно-

го большую, чем Тс «холодных» сверхпроводников, но в то же время она меньше 20 ° С (состояние на 2013 год).

По поведению в магнитном поле сверхпроводники делятся на: сверхпроводники первого рода (чистые металлы); сверхпроводники второго рода (сплавы, керамика, химические

соединения).

175

6.3.1. Сверхпроводники первого рода

Сверхпроводников первого рода из чистых химических элементов существует порядка тридцати штук при условии, что толщина сверхпроводника больше, чем λ (лондоновская глубина проникновения), при давлении 760 мм рт. ст. В табл. 6.1 указаны данные для некоторых сверхпроводников первого рода при указанных условиях.

Таблица 6.1

Свойства некоторых сверхпроводников первого рода

рых длина когерентности β меньше λ (лондоновская глубина проникновения). Сверхпроводники второго рода — сплавы или химические соединения. Сверхпроводников этого типа существует порядка тысячи штук. В табл. 6.2 приведены данные для некоторых сверхпроводников второго рода при условии, что толщина сверхпроводника больше, чем λ, и давление 760 мм рт. ст.

176

В технике в настоящее время в основном применяются сверхпроводники второго рода. Наиболее широко используются композиционные сверхпроводники (рис. 6.9). Сверхпроводники используют в реакторах с магнитным удержанием плазмы и для магнитных систем коллайдеров.

Коллайдеры — гигантские ускорители элементарных частиц со встречными потоками. Для них, так же как и для термоядерных реакторов, являющихся тоже крупногабаритными сооружениями (например, только реактор ИТЭР имеет диаметр 40 м при высоте 40 м), требуются большие магнитные поля (В = 15 − 20 Тл) в больших объемах.

Диаметр нити от 1 до 100 мкм, их количество N ≤ n·10000 штук.

Химическое соединение

Рис. 6.9. Композиционные сверхпроводники второго рода (вверху) и структура сверхпроводящей нити (внизу)

Преимущество использования сверхпроводника в том, что стоимость сверхпроводниковой обмотки соленоида составляет 1 – 2 % от стоимости такой же медной обмотки, к тому же масса сверхпроводника в тысячи раз меньше. Кроме того, медная обмотка требует интенсивного водяного охлаждения.

На рис. 6.10, в качестве примера, представлен проводник для магнитной системы термоядерного реактора ИТЭР.

177

проблема была в охладителях, так называемых хладагентах, без применения которых невозможно перевести материал в сверхпроводящее состояние.

Поэтому прежде, чем говорить о развитии сверхпроводников в направлении повышения Тс, следует рассмотреть существующие хладагенты, потенциально пригодные для сверхпроводников. Хладагенты это — криогенные жидкости (от греческого слова «криос», что означает «холод»). Набор таких хладагентов небольшой и он представлен в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Хладагенты для сверхпроводников

*КТСП — комнатно-температурные сверхпроводники.

Из анализа табл. 6.3, таким образом, следует, что наиболее оптимальным хладагентом является жидкий азот. Жидкий азот приблизительно в двадцать семь раз дешевле жидкого гелия. С учетом же коммуникаций и систем хранения стоимость жидкого гелия по сравнению с жидким азотом возрастает приблизительно в триста раз. Поэтому жидкий гелий применяют только тогда, когда это технически необходимо и экономически целесообразно. (В этом случае для экономии сверхпроводники сначала охлаждают жидким азотом, а только потом жидким гелием).

179

В 1986 году два швейцарских физика Г. Беднорц и А. Мюллер, работавших в швейцарском филиале американской фирмы «IBM», опубликовали статью, из которой следовало, что керамика, состоящая из La – Ba – Cu – O, имеет сверхпроводимость при Тс = 35 – 40 К.

Публикации этой статьи имеет свою предыстория: сначала авторы направили статью в журнал «Physical Review» (один из самых престижных в мире журналов по физике), но в редакции этого журнала их результаты вызвали сомнение и статью не стали печатать. Тогда авторы отправили статью в менее известный журнал «Zeitschrift Physik», в котором ее опубликовали в октябре 1986 года под названием «Возможность высокой Тс в La – Ba – Cu – O». После публикации статьи в мировом ученом сообществе также возникло некоторое сомнение относительно результатов исследований швейцарцев. Однако нашлись исследователи, которые решили проверить опыты. Исследования Г. Беднорца и А. Мюллера проверил американец японского происхождения Пол Чу (Техасский университет в Хьюстоне, США), при этом в своем опыте он (с коллегами) еще добавил давление до 100 МПа и получил Тс равную 52 К.

После получения сверхпроводника с Тс равной 52 К возникла идея о том, что, если внешнее давление позволяет повысить Тс, то, может быть, возможно увеличить Тс за счет внутренних давлений, возникающих при введении в кристаллическую решетку материала иной кристаллической структуры. Эту гипотезу проверил ученик Пола Чу – Мо Куэнь Ву с коллегами (Алабамский университет, США), который в вышеуказанной формуле ион лантана (La № 57, III группа) заменил на ион иттрия (Y № 39, III группа). Оксиды лантана и иттрия имеют соответственно гексагональную и кубическую структуру. Для синтезированного материала Y – Ba – Cu – O величина Тс составляла 93 К (без приложения внешнего давления). Это означало научнотехническую революцию в технике. Был создан сверхпроводник, Тс которого выше, чем температура испарения жидкого азота, равная 77,4 К, то есть превзойден, так называемый, «азотный барьер». Иными словами, появился сверхпроводник, который можно охлаждать и

180

переводить в сверхпроводящее состояние не дорогим и редким жидким гелием, а дешевым и распространенным жидким азотом.

Таблица 6.4

Хронология ВТСП

* Пол Чу с коллегами при исследовании материала Hg – Ba – Cu – Ca – O приложил к нему давление 28 ГПа и достиг Тс = 160 К. Антипов Е. В. с коллегами (МГУ), приложив еще более высокое давление 40 ГПа, получил Тс равную 166 К.

Результаты опытов Пола Чу и Мо Куэнь Ву с коллегами об открытии сверхпроводников с Тс равной 93 К были опубликованы в журнале «Physical Review Letters» за 2 марта 1987 года, так как пуб-

ликация статей в этом журнале занимает значительно меньше времени, чем в самом журнале «Physical Review». Публикация об открытии ВТСП привела к тому, что все страны (Россия, США, Япония, Англия, Германия и др.) начали исследования по данной тематике, и к 2003 году было уже опубликовано около 10000 научных работ по ВТСП. В результате были не только подтверждены результаты по La−Ba−Cu−O и Y−Ba−Cu−O, но и открыты новые по составу ВТСП (табл. 6.4). Сами же Г. Беднорц и А. Мюллер, как исследователи, открывшие новую нишу для исследований в физике, получили Нобелевскую премию по физике за 1987 год. (Присуждение Нобелевской премии практически в течение года после публикации результатов по La−Ba−Cu−O — это редкий случай в практике Нобелевского комитета, подчеркивающий значимость открытия).

181

Иттриевые ВТСП

Иттриевые ВТСП имеют следующий состав: Y1Ba2Cu3O7-δ, где δ — дефицит по кислороду, определяемый количеством кислородных вакансий в кристаллической решетке. На научном сленге исследователей, работающих в области высокотемпературных сверхпроводников, это состав «1 : 2 : 3». В идеале величина δ должна быть равна 0, но на практике недостаток кислорода в ВТСП всегда существует.

Все ВТСП, в том числе и иттриевые, — это керамика, то есть материалы, полученные по керамической технологии. (Кроме керамических ВТСП существуют монокристаллы ВТСП, имеющих ограниченные размеры и не представляющих по этой причине перспективности для широкого применения). На настоящий момент существует более десяти вариантов реализации керамических технологий изготовления ВТСП. Одна из первых примененных технологий — технология двухстадийного твердофазового синтеза (рис. 6.11).

Первая стадия.

Вторая стадия.

Рис. 6.11. Блок − схема технологического процесса изготовления иттриевого ВТСП способом твердофазового синтеза

182