12.4 Высокотемпературная сверхпроводимость

Явление сверхпроводимости раскрывает огромные потенциальные возможности для разработки принципиально новых приборов электронной техники – вольтметров, генераторов высокочастотных колебаний, магнитометров и т.д., создания сверхпроводящих магнитов, сверхпроводящих электрических ма­шин постоянного и переменного токов, систем передачи энергии по сверхпроводящим кабелям, высокоскоростного транспорта на магнитной подушке и др. Однако большим препятствием для реализации этих потенциальных возможностей является высокая стоимость установок для создания и поддержания низкой температуры, при которой возможно существование явления сверхпроводимости, и большие технические трудности эксплуатации криогенных систем.

Свойство высокотемпературной сверхпроводимости устойчиво показывают четыре группы веществ: лантановые сверхпроводники, открытые Дж. Беднорцем и К. Мюллером; иттриевые сверхпроводники, синтезированные М. By и С. Чу, и две группы материалов на основе висмута и таллия.

В лаборатории японской фирмы «Тосиба» разработана технология получения тонких пленок, характеризующихся высокотемпературной сверхпроводимостью, на основе которых можно создавать быстродействующие сверхпроводящие интегральные схемы. Поверхность пленок, полученных этим методом, близка по качеству поверхности полупроводников. Пленки, однако, оказались химически неустойчивыми из-за взаимодействия бария с парами воды. Для их стабилизации пленки покрывались слоем окиси серебра, который в контакте со сверхпроводящей пленкой также становился сверхпроводящим.

Заслуживает внимания и сообщение японской фирмы «Сумитомо» о том, что специальным методом напыления получены сверхпроводящие поликристаллические пленки, выдержи­вающие максимальную плотность тока.

Первая модель для объяснения сверхпроводимости в материалах с Т_к > 30°К была предложена в 1964 г. У. Литтлом. Она относилась к органическим материалам полимерного типа, содержащим длинные молекулы. Предполагалось, что в таких материалах спаривание электронов проводимости происходит за счет их взаимодействия с электронными возбуждениями типа экситонов в окружающих атомах, расположенных в боковых цепях полимера. Однако из-за большой энергии внутриэкситонных возбуждений, составляющих порядка нескольких электрон вольт, они не могли обеспечить процесс спаривания. Тем не менее к идее связывания электронов в пары за счет электрон-экситонного взаимодействия теоретики возвращались неоднократно

В 1987 г. для объяснения высокотемпературной сверхпроводимос­ти керамических материалов Ф. Андерсон предложил модель так назы­ваемых резонирующих валентных связей. Суть этой модели в следующем. Известно, что в керамических оксидах основную роль в сверхпроводимости играют кристаллографические плоскости, перпендикулярные оси С, в которых расположены ионы меди и кислорода. Для керамики La₂CuO₄ Андерсон использует квадратную решетку, в узлах которой находятся ионы меди и кислорода. Каждый ион меди в плоскости а, b кристалла в невозбужденном состоянии характеризуется некомпенсированным спином. Эти спины образуют антиферромагнитную подрешетку. Андерсон предположил, что все узлы объединены валентными связями в бесспиновые пары, которые не могут перемещаться и переносить заряд в недопированном кристалле из-за отсутствия свободных узлов.

Для объяснения высокотемпературной сверхпроводимости была развита биполярная теория, основанная на идее высказанной Л.Д. Ландау об автолокализации электрона в ионном кристалле, обусловленной взаимодействием электрона с продольными колебаниями локальной поляризации, осуществляемой самим электроном. Электрон удерживается в локальной потенциальной яме поляризации и своим полем поддерживает ее, при этом необходимо учитывать только инерционную часть поляризации, которая не успевает следовать за движением электрона

Остановимся еще на одной попытке объяснения высокотемпературной сверхпроводимости. Речь пойдет о бисолитонной модели, предложенной А.С. Давыдовым и В.Н. Ермаковым в 1988 г. Известно, что в нелинейных системах с дисперсией идеальный перенос энергии осуществляется уединенными волнами, называемыми солитонами. В отличие от обычных волн солитоны представляют собой одиночные пространственно локализованные возбуждения, перемещающиеся как единое целое с постоянной скоростью. Отдельные уединенные волны при столкновении проходят друг через друга, не меняя формы и скорости, т. е. не обмениваются энергией. Большая стабильность солитонов обусловлена взаимным влиянием двух явлений – дисперсии, приводящей к пространственному расплыванию возбуждения, и нелинейности, благодаря которой происходит интенсивное взаимодействие монохроматических составляющих возбуждения, в результате чего отбирается энергия от быстро уходящих волн и передается волнам отстающим.

Применение сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, 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 так называемые 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. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитого поля H_c2.

Первым промышленным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями.

Следующее практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать напряжения порядка 10^-15 Вт. Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях таких, как: измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.

Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.

Наиболее интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Еще одно возможное применение сверхпроводников – в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии, в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Контрольные вопросы:

1. Какие явления наблюдаются при сверхпроводимости?

1. Скачок удельной теплоемкости.

2. Небольшое изменение объема.

3. Резкое уменьшение поглощения ультразвука.

4. Все вышеперечисленные.

2. Каким физическими свойствами обладает вещество, находящееся в сверхпроводящем состоянии?

1. Выталкивание электрического поля.

2. Высокой напряженностью электрического поля данного вещества.

3. Высокой магнитной проницаемостью.

4. Выталкиванием магнитного поля, идеальной проводимостью.

3. При каких условиях разрушается сверхпроводящее состояние?

1. При пропускании через сверхпроводник тока такой величины, при которой на поверхности образца магнитное поле, вызванное этим током, становится равным критическому.

2. При воздействии магнитного поля достаточной вели­чины, т.е. критической.

3. Все вышеперечисленные.

4. Что такое проводник второго рода?

1. Тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму.

2. Перенесение в них зарядов не сопровождается химическими превращениями.

3. Перенесение в них зарядов ведёт к химическим изменениям.

4. Тела в которых практически отсутствуют свободные заряды.

5. Каковы результаты исследования явления высокотемпературной сверхпроводимости?

1. В 1986 г. критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние понизилась более чем на 100° k.

2. В 1986 г. критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние повысилась более чем на 100° k.

3. В 1989 г. критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние не изменилась.

4. В 1989 г. критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние повысилась более чем на 100° k.