Сверхпроводники

Сверхпроводники | Физика

Сверхпроводники – вещества, в которых при понижении температуры до некоторой критической величины Тс обнаруживается явление сверхпроводимости — их электрическое сопротивление полностью исчезает.

При этом сверхпроводники ведут себя как идеальные диамагнетики с аномально большой магнитной восприимчивостью 1/4p, следствием чего является выталкивание магнитного поля из объема сверхпроводники (эффект Мейснера).

При увеличении напряженности магнитного поля до некоторой критическое величины происходит разрушение сверхпроводящего состояния.

В зависимости от характера проникновения магнитного поля в сверхпроводники и динамики разрушения сверхпроводимости при увеличении напряженности магнитного поля различают сверхпроводники 1-го и 2-го рода.

Сверхпроводники 1-го рода теряют свою сверхпроводимость в поле H = Hс, когда поле скачком проникает в материал и он во всем объеме переходит в нормальное состояние.

Для сверхпроводников 2-го рода характерно постепенное проникновение магнитного поля в толщу образца на протяжении интервала от нижнего критического значения Яс,1 до верхнего критического значения Hс,2, при котором происходит полное разрушение сверхпроводящего состояния.

В случае протекания электрического тока через сверхпроводники вокруг них возникает собств. магнитное поле. Существует максимальная критическая величина плотности тока Jc, при которой это поле разрушает сверхпроводящее состояние. При нахождении сверхпроводники с током во внешнем магнитном поле величина Jc может изменяться.

Сверхпроводники I рода

Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход.

Значения критической температуры Тк и критической напряженности магнитного поля Нк у них малы (максимальное значение Тк и Нк в этой группе материалов имеет свинец: Тк=7,2 К, Нк=65кА/м, а минимальное — вольфрам, у которого величина Тк = 0,01 К, а Нк =0,1 кА/м), что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера.

Сверхпроводникам I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Низкие значения Нк у сверхпроводников I рода существенно ограничивают плотность тока, что препятствует их практическому использованию.

Большинство металлов — сверхпроводники I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. Поэтому большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях.

Среди них такие полупроводники как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др.

Сверхпроводники II рода

Сверхпроводники II рода переходят в сверхпроводящее состояние не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале температур. Значения Тк и Нк у них больше, чем у сверхпроводников I рода. Соответственно для сверхпроводников II рода различают нижнее критическое поле Нк1, верхнее критическое значение поля Нк2.

При достижении магнитным полем величины Нк1 начинается проникновение магнитного поля в сверхпроводник, и электроны, скорость которых перпендикулярна Н, под влиянием силы Лоренца начинают двигаться по окружности. Возникают вихревые нити.

Ствол нити остается нормальным, несверхпроводящим металлом, вокруг которого движутся электроны, обеспечивая сверхпроводимость. В результате материал обладает как сверхпроводящей составляющей, так и нормальной проводимостью. Т. е.

При возрастании магнитного поля и достижении более высоких значений Нк2 нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается.

https://www.youtube.com/watch?v=kDxD2d8dkpk

При достижении критического значения поля Нк2 магнитное поле полностью проникает в объём сверхпроводника. Значения Нк2 для таких сверхпроводников, как Nb3Sn и PbMo6S составляют величину порядка105Э.

Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля — системах магнитной подвески транспортных средств, устройствах удержания плазмы в термоядерных реакторах и т. д.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода.

Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным.

Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки.

Например, у чистого олова Тк = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Сверхпроводники III рода

Сверхпроводники III рода включают в себя неидеальные сверх проводники II рода (жесткие сверхпроводники).

Для них характерно наличие крупных неоднородностей, возникающих при выделении другой фазы или пластичном деформировании.

Дефекты структуры могут служить узлами закрепления вихрей (явление пининга), что значительно повышает допустимые токи. К сверхпроводникам III рода относятся в основном сплавы и химические соединения.

Высокотемпературные сверхпроводники

В 1986 г. было обнаружено, что такие вещества, как La2 хMхCuO4, (M = Ва, Sr), переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к темпера туре жидкого азота.

Позже в сплавах YВa2Cu3O7 переход в сверхпроводящее состояние происходил при температуре – 173°С и выше.

Такие вещества, названные высокотемпературными сверхпроводниками, обладают структурой типа перовскита (природный минерал CaTiO3) и представляют собой керамику с характерным расположением атомов.

Получают такие материалы в процессе спекания тонкоизмельченной смеси оксидов иттрия, меди с карбонатом бора.

Полученный таким способом образец сверхпроводящей керамики состоит из двух фаз (соединений). Одна фаза содержит ионы иттрия, бария и меди в соотношении 2:1:1. Другая фаза содержит большее количество меди.

Сверхпроводники: теория, практика и дальше

90 лет назад родился Алексей Абрикосов, советский и американский физик, ставший лауреатом Нобелевской премии по физике 2003 года за свои работы по сверхпроводимости. «Чердак» коротко рассказывает о том, что собой представляют сверхпроводники в теории и на практике и что в них до сих пор остается для нас неизвестным.

Алексей Алексеевич Абрикосов родился в известной московской семье, биография которой прослеживается до XVIII столетия, когда Степан Николаевич, один из крепостных крестьян в Пензенской губернии, получил такую фамилию за умение делать сладости из абрикосов. Двое сыновей Степана Абрикосова занялись купеческим делом в Москве, но неудачно.

Один из внуков, Алексей Абрикосов (самый старший, в роду потом будут еще два получивших широкую известность тёзки), основал «Фабрично-торговое товарищество А. И. Абрикосова сыновей».

То самое, которое в 1918 году национализировали и в 1922-м переименовали в честь председателя райисполкома в Сокольниках, так что сегодня его мы знаем как концерн «Бабаевский».

Прабабушка физика учредила один из первых в Москве роддомов (в 1889-м, задолго до открытия первых государственных заведений такого рода), а отец Абрикосова-физика, Алексей Иванович, вместо купеческого дела выбрал медицину, точнее паталогоанатомию. Доктор медицинских наук, преподаватель и автор более сотни работ по туберкулезу смог избежать репрессий как «классово чуждый» потомок фабрикантов и руководил вскрытием Ленина с последующим бальзамированием его тела.

Алексей Абрикосов-младший не пошел по стопам родителей (в отличие от родившейся годом позже сестры). В 1943 году, в 15 лет, он поступил в МЭИ, в 1945-м перевелся в МГУ и скоро показал себя в качестве талантливого физика.

Уже в 27 лет он защитил докторскую диссертацию по квантовой электродинамике и тогда же принял активное участие в разработке теории сверхпроводимости, которую до сих пор называют либо теорией Гинзбурга — Ландау, либо, более полно, ГЛАГ: Гинзбурга — Ландау — Абрикосова — Горькова.

Не вдаваясь в дебри квантовой механики, можно сказать, что из этой теории следовало существование внутри сверхпроводников особых токовых вихрей, называемых сегодня вихрями Абрикосова.

Сверхпроводники были открыты еще в те годы, когда семейство Абрикосовых владело фабрикой, а родители будущего физика даже не были женаты.

В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес измерял электрическое сопротивление охлажденной жидким гелием ртути (при такой температуре — твердой, разумеется), и внезапно сопротивление просто обнулилось: перепроверка показала, что дело не в поломке оборудования, а в неком совершенно новом и необъяснимом эффекте.

Объяснить этот эффект с позиции классической физики оказалось невозможно в принципе. Согласно «классике» металлы должны были либо плавно снижать сопротивление до какой-то конечной величины, либо, напротив, переставать проводить ток из-за остановки движения электронов при снижении температуры.

Но скачкообразное исчезновение электрического сопротивления как такового было слишком удивительно, и вплоть до тридцатых годов XX века физики не имели вообще никакой теории сверхпроводимости: им приходилось довольствоваться констатацией фактов вида «ртуть превращается в сверхпроводник при 4 кельвинах» или «сверхпроводники полностью выталкивают из себя магнитное поле, и магниты повисают над ними в воздухе безо всякой опоры».

Эффект Мейснера, он же эксперимент «Гроб Магомета»: сверхпроводник выталкивает из себя магнитное поле и, если поле достаточно сильное, сам магнит может тоже вытолкнуться в воздух. Mai-Linh Doan / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

В 1950-е годы были созданы первые квантовые теории сверхпроводников, и Абрикосов внес в это следующий вклад: в его статье 1957 года «О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы» было показано, что внутри некоторых подобных материалов возникают кольцевые вихри из текущего без всякого сопротивления электрического тока. Эти вихри возникают под действием внешнего магнитного поля и выстраиваются в периодическую решетку: чем больше поле, тем больше плотность этих вихрей, и при переходе некоторого критического значения вихри соприкасаются друг с другом, и эффект сверхпроводимости исчезает.

Непосредственно на практике в те годы этот эффект применить не получалось, но сам сдвиг от разрозненных фактов к теории будет позже отмечен Нобелевской премией. Эту награду часто делят на нескольких ученых, и приз 2003 года по физике получили Абрикосов, Виталий Гинзбург и Энтони Леггетт.

Сверхпроводники — практика

Как можно использовать материал, передающий электричество без потерь? Самое очевидное применение — в электроэнергетике, но как раз там сверхпроводники особо не востребованы и по сей день.

Охлаждать жидким гелием (литр которого стоит как бутылка коньяка и требует охлаждения до -269 градусов Цельсия) протяженные линии электропередач или хотя бы генераторы на электростанциях оказалось слишком хлопотно — дальше отдельных экспериментов дело не продвинулось.

А вот при производстве особо мощных электромагнитов сверхпроводники оказались незаменимы.

Там сложности в производстве с дороговизной оказались не столь критичны, поскольку ускорители заряженных частиц и медицинские томографы достаточно сложны и дороги сами по себе.

Магнит, стоящий в магнитно-резонансном томографе, использует сверхпроводники, равно как и все коллайдеры направляют пучки частиц в нужную сторону именно сверхпроводящими электромагнитами.

Экспонаты в музее ЦЕРН: сверху — медные кабели, по которым можно пропускать ток в 12 500 ампер, снизу — сверхпроводящий кабель. Rama / wikimedia commons / CC BY-SA 2.0 FR

Через пять лет после работы Абрикосова с описанием сверхпроводящих токовых вихрей другим ученым, молодым американским физиком Брайаном Джозефсоном, был предсказан эффект протекания сверхпроводящего тока через тонкие прослойки изоляторов. Изолятор, согласно классической физике, не мог пропускать ток в принципе, но в квантовой теории джозефсоновский контакт (та самая тонкая прослойка непроводящего материала) оказался вовсе не препятствием.

Экспериментальное обнаружение этого явления вкупе с квантовой теорией взаимодействия сверхпроводников и магнитного поля позволили создать сверхчувствительные датчики магнитных полей.

А еще позже на основе джозефсоновских контактов придумали и вычислительные элементы для квантовых компьютеров, и массу важных с точки зрения техники эксперимента устройств.

Сверхпроводники — дальше?

Всплеск интереса к сверхпроводникам пришелся на 1980-е годы, когда были обнаружены вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние уже при охлаждении жидким азотом с его температурой кипения в 77 кельвин (-195 градусов Цельсия).

С точки зрения удобства работы это был переход от охлаждения образцов коньяком к поливу их газировкой: азот получается легко из обычного воздуха и им к этому моменту даже замораживали грунт при строительстве метрополитена в питерских плывунах.

Но, несмотря на интенсивные поиски экспериментаторов и напряженную работу теоретиков, ни «комнатный» сверхпроводник, ни единая теория сверхпроводимости вообще так и не появились.

Более того, если на теорию еще можно надеяться, принципиального ответа на вопрос, возможна ли сверхпроводимость при нормальных условиях, физика дать на сегодня не в состоянии.

Это один из тех вопросов, которые еще ждут ответа.

Сверхпроводимость

Подробности Категория: Холод и тепло 29.11.2014 16:27 5662

При температуре ниже определённого значения некоторые вещества теряют способность препятствовать прохождению электрического тока. Их электрическое сопротивление становится нулевым. Это свойство называют сверхпроводимостью.

Открытие сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, исследуя зависимость электрического сопротивления металлов от температуры.

Сверхнизкими температурами он начал интересоваться ещё в 1893 г. А в 1908 г. ему удалось получить жидкий гелий.

Охлаждая с его помощью металлическую ртуть, он с удивлением обнаружил, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление ртути скачком падает до нуля.

В начале эксперимента всё происходило согласно теории. С понижением температуры сопротивление ртути плавно уменьшалось. Но когда температура опустилась до 4,15 К, ртуть внезапно вообще потеряла сопротивление. Она перешла в совершенно новое состояние, которое было названо сверхпроводимостью.

Природа сверхпроводимости

Что же происходит в металлах при понижении их температуры до значений, близких к абсолютному нулю?

Каждый атом состоит из ядра, заряженного положительно, и электронов, имеющих отрицательный заряд. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам. Чем ближе орбита к ядру, тем сильнее электрон к нему притягивается. Электроны, находящиеся на внешней орбите, называются валентными.

Они легко отрываются от ядра, покидают свою орбиту и свободно перемещаются внутри кристаллической решётки. Под воздействием внешнего электрического поля их движение становится упорядоченным, они начинают двигаться в одном направлении. В металле возникает электрический ток.

Однако на пути электронов возникают препятствия в виде узлов кристаллических решёток, их дефектов, или атомов примесей, которые присутствуют в веществе. Поэтому возникает электрическое сопротивление току. С понижением температуры нарушения структуры решёток, связанные с тепловыми колебаниями атомов, уменьшаются.

Структура становится более правильной. Следовательно, уменьшается и сопротивление.

Объяснение сверхпроводимости на микроскопическом уровне было дано в теории, названной БКШ в честь её создателей — американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. В её основу положены куперовские пáры электронов.

Леон Нил Купер

При обычных условиях электроны являются фермионами, частицами с полуцелым спином, имеющим значение -1/2 или +1/2. Каждый из фермионов описывается своей волновой функцией. Двигаются они также поодиночке и самостоятельно преодолевают препятствия на своём пути.

Но при определённых условиях они образуют пáры. Электроны со значениями спинов +1/2 и -1/2 объединяются и образуют связанное состояние, которое называют кýперовской парой. Эта пара имеет нулевой спин и удвоенный заряд электрона.

Так возникает ток сверхпроводимости.

Критическая температура

Оказалось, что не только ртуть обладает сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю. Такое свойство открыли у свинца, олова, таллия, урана и других металлов.

Сверхпроводимость проявляется скачкообразно, когда вещество охлаждается до определённой температуры. Температуру Тс, при которой этот скачок происходит, называют критической. У каждого элемента, обладающего сверхпроводимостью, она своя.

Например, ниобий переходит в состояние сверхпроводимости при 9 К, а вольфрам при 0,012 К.

Сверхпроводимостью обладают не только чистые металлы, но и некоторые сплавы. Например, сплав ртути с золотом и оловом. Существуют даже сверхпроводящие сплавы, у которых один из элементов, входящих в его состав, может и не быть сверхпроводником.

Если кольцо из сверхпроводника охладить до критической температуры и возбудить в нём электрический ток, то он будет течь даже после того, как уберут источник тока, и до тех пор, пока в кольце будет поддерживаться температура ниже критической. Но так происходит только в электрическом поле постоянного электрического тока. В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника увеличивается, если увеличивается частота переменного тока.

В 1983 — 1986 г.г. были созданы новые сверхпроводники. Это сверхпроводящие керамики, сверхпроводники на основе железа и др. Сверхпроводимость в них наступала при температурах, значительно превышающих температуру абсолютного нуля. В 1993 г. было открыто вещество, критическая температура которого равна 135 К.

Эффект Мейснера

В 1933 г. немецкий физик Вальтер Фриц Мейснер вместе с другим немецким физиком Робертом Оксенфельдом открыл ещё одно удивительное и важное свойство сверхпроводников — выталкивание магнитного поля из своего объёма. Это явление было названо эффектом Мейснера.

Вальтер Фриц Мейснер

Эффект Мейснера наглядно демонстрирует опыт, поставленный в 1945 г. российским физиком Владимиром Константиновичем Аркадьевым.

Но почему же магнит не притягивается к чашечке? Дело в том, что незатухающий ток внутри сверхпроводника создаёт магнитное поле, направление которого противоположно направлению внешнего магнитного поля, создаваемого магнитом.

Это поле уравновешивает и отталкивает внешнее поле, благодаря чему магнит будто парит в пространстве. Это явление называется магнитной левитацией.

Если поместить сверхпроводник в магнитное поле и напряжённость этого поля увеличивать, то при определённом значении напряжённости, равной Нс , сверхпроводимость исчезает.

Такое магнитное поле называется критическим полем. При напряжённости выше Нс сверхпроводник становится обычным проводником.

Чем ниже температура сверхпроводника, тем большей должна быть напряжённость поля, способного разрушить сверхпроводимость.

В чистых сверхпроводников, состоящих из одного вещества, магнитное поле будет выталкиваться до тех пор, пока напряжённость магнитного поля не достигнет значения Нс. Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками I рода.

А для сверхпроводящих сплавов таких значений два: Нс1 и Нс2 . Когда напряжённость внешнего магнитного поля достигнет значения Нс1 , это поле уже начнёт проникать внутрь сверхпроводника.

Но его электрическое сопротивление всё ещё остаётся нулевым, и явление сверхпроводимости наблюдается. А когда напряжённость станет равна Нс2, сверхпроводимость исчезнет совсем.

Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками II рода.

Применение сверхпроводников

Открытие сверхпроводимости произвело настоящий переворот в науке. Сразу же появилось множество идей по использованию этого уникального явления в технике.

При сверхнизких температурах ток проходит в сверхпроводниках практически без потерь. Поэтому их используют при создании различных кабелей, коммутационных устройств, электродвигателей, турбогенераторов, приборов для измерения температуры, давления и др.

Они идеально подходят для создания электромагнитов. С их помощью создаётся электромагнитное поле в магнитно-резонансном томографе.

В установках термоядерного синтеза, в крупных ускорителях элементарных частиц используют сверхпроводящие катушки.

Обмотки сверхпроводящих магнитов, с помощью которых создают сильные магнитные поля, изготавливают из сверхпроводников II рода. Сверхпроводящие магниты гораздо экономичнее обычных ферромагнитов.

В 2003 г. в Японии провели испытание поезда на магнитной подвеске. Его движение основано на использовании эффекта Мейснера (магнитной левитации). Электромагнитное поле рельсов отталкивается сверхпроводниками, находящимися в подвеске поезда.

И поезд словно летит над рельсами, не касаясь их. Это позволяет ему развивать огромную скорость, сравнимую со скоростью самолёта. Конечно, такие поезда требуют специальных рельсов. Но энергии они затрачивают в десятки раз меньше, чем самолёты.

Подобные поезда созданы в Германии, Китае и Южной Корее.