Низкотемпературная и высокотемпературная сверхпроводимость. Перспективы высокотемпературных сверхпроводников

Статья: Высокотемпературная

Сверхпроводимость (ВТСП).

Теоретическое обоснование и технология создания

Материалов, обладающих свойством

Высокотемпературной сверхпроводимости

(отсутствие электрического сопротивления

До комнатных температур и выше).

Академик МААНОИ, доктор РАЕН.

Article: High-temperature superconductivity (HTSC).

The doctor of the Russian Academy of Natural Sciences).

Technology of creation of materials property high-temperature

(to room temperatures and above) superconductivity (absence of electric resistance).

1. Предпосылки решения проблемы ВТСП.

Постановка задачи (решение проблемы ВТСП) обусловлена не только уникальными злекроэнергетическими перспективами при ее решении, но и необходимостью опережающей реализации ВТСП, как обязательного условия осуществления КИБЕРНЕТИЧЕСКОЙ РЕПЛИЦИРУЮЩЕЙ СУБСТАНЦИИ НА МНОЖЕСТВЕ УНИФИЦИРОВАННЫХ МОДУЛЕЙ НАНОРАЗМЕРОВ (КС).

Теоретическое обоснование и необходимость создания КС даны в книге автора данной статьи: «Колонизация космоса: проблемы и перспективы». В момент написания книги были сформулированы основные подходы и теоретические принципы реализации ВТСП. Автор умышленно не стал их публиковать, предоставив возможность иным исследователям решить проблему. Это нашло отражение в упомянутой книге (1-е 1997г., Новокузнецк и 2-е 2003г., Тюмень - издания). Мотивацией такого поступка явилось желание автора не брать на себя решение ВСЕХ генеральных научно-технических проблем человечества, и предоставить возможность для творчества другим исследователям и коллективам.

Окончательно «отшлифованы» технологии получения ВТСП к моменту написания автором статьи: «НАЧАЛА ОБЩЕЙ ТЕОРИИ УНИВЕРСУМА» (НОТУ), (2010 – 2011 гг.). При ее публикации была анонсирована и публикация данной (по ВТСП) статьи (см. материалы на персональном сайте автора).

Поскольку, к настоящему времени иные исследователи не решили проблему ВТСП автор данной статьи публикует свое видение ее решения. Далее «давать фору» иным исследователям - не имеет смысла.

Вместе с тем, при публикации данной статьи, автор предпринимает целый комплекс противоплагиатных мер, как-то: опережающая рассылка по множеству инстанций (редакции профильных журналов и пр. СМИ, РОСПАТЕНТ, РАН, администрация Президента России, ФПИ и др.) бумажной почтой, с объявленной датой приоритета по почтовому отправлению; последующая рассылка по профильным адресатам электронной почтой; логические «закладки» в содержании статьи.

Только в последнюю очередь размещается текст статьи на персональном сайте автора, в сопровождении объявлений о ее публикации на иных сайтах.

Предприняты и иные, не объявленные (но… - эффективные), противоплагиатные меры. Хищным и бездарным любителям поживиться чужой интеллектуальной собственностью - здесь делать нечего…

Следует добавить, что пути решение проблемы ВТСП связаны и проистекают из постулатов НОТУ. Здесь отражена логика обобщающей теории универсума хоть и не всегда абсолютно (исчерпывающе). Кроме того, показанные пути решения проблемы ВТСП являются неотъемлемой составной частью всего КОМПЛЕКСА идей и разработок автора.

2. Теоретические основы.

Эффект сверхпроводимости был открыт Камерлинг-Оннесом еще в 1911 г. во время опытов по изучению электрического сопротивления у ряда металлов при сверхнизких температурах. Количество сверхпроводящих материалов исчисляется, к настоящему времени, десятками. Самые высокие температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Тс) у классических материалов (металлов и сплавов) достигает 23,2 К (у интерметаллида ниобия и германия). Рекордные значения критических температур получены после открытия Г.Беднорца и К.Мюллера нового класса сверхпроводников – купрумосодержащих керамик. Здесь критическая температура достигает

135 К. Сверхпроводник подразделяются: на С/П I-рода и на С/П I I-рода.

В первые магнитное поле практически не проникает (выталкивается – т.е. проявляет свойство идеального диамагнетика). Во вторые, магнитное поле проникает. Общепринятым теоретическим обоснованием существования сверхпроводимости считается теория БКШ (Бардина-Купера-Шриффера). Объяснение эффекта С/П, сводится к возникновению в материале бозонных пар электронов и проявлении фононного механизма. Вместе с тем, открытие сверхпроводящих керамик показало недостаточность БКШ для понимания всех характеристик эффекта сверхпроводимости.

Важнейшей и актуальнейшей научно-технической задачей является теоретическое обоснование и поиск (либо создание) С/П материалов с критической температурой (ТС) порядка 300 градусов К и выше (т.н. высокотемпературной сверхпроводимости - ВТСП). Достижение поставленной цели приведет к революции в электроэнергетике, В частности, упраздняется необходимость криогенного оборудования для получения С/П. Далее, появляется возможность построения сверхдальних линий электропередач функционирующих практически без энергопотерь. Кроме того, появится возможность создания энергооборудования и приборов с невозможными ныне характеристиками.

Такова постановка задачи (проблемы). Постараемся ее решить.

В основе решения данной проблемы должны быть положены не только квантовые представления и теория БКШ, но и представления, выходящие за рамки ставших классическими теорий. Тем более, что С/П в керамиках (как ранее упомянуто) показывает свойства выходящие за рамки описания посредством БКШ. Это общепризнанный факт. Поэтому следует воспользоваться более широким спектром физических определений и закономерностей при решении проблемы ВТСП. Для удобства восприятия построим изложение темы в виде отдельных тезисов и постулатов.

3.Тезисы и постулаты ВТСП.

3.1. В основу представлений о поведении электротока в проводнике под влиянием внешнего потенциала должны учитываться эффекты протекания тока в плазме. Известно, что в плазме ток (совокупный поток электронов) движется вдоль магнитных силовых линий, при этом электроны «вращаются» вокруг упомянутых силовых линий с характерными ЛАРМОРОВСКИМИ орбитами, имеющими ДЕБАЕВСКИЙ радиус (см. физику плазмы). Показанное перемещение характеризуется сверхпроводящими свойствами на локальных участках. Таковое проистекает из фундаментальных свойств электронов (в частности - спина и иных, описанных в НОТУ). В то же время, подобному рассмотрению почему-то (неоправданно) отказано (?!) при моделировании движения тока в твердых материалах. Между тем, этот подход весьма продуктивен при описании локальных перемещений электронов по кристаллическим (и аморфным) структурам на наноразмерном уровне. Именно такое рассмотрение дает ключ: к пониманию энергетических потерь на тепло в проводнике, а также - возникновению сверхпроводимости.

3.2. Спиралеобразное перемещение квантово связанных пар электронов (по БКШ) дает сверхпроводимость I-рода. Спиральное перемещение не связанных квантово пар электронов дает сверхпроводимость II-рода в плазме.

Подобная модель справедлива и для перемещения электронов в твердых сверхпроводящих материалах.

3.3. Высокотемпературная сверхпроводимость свойственна большинству проводников на атомных (наноразмерных) расстояниях, но исчезает при увеличении масштабов, ввиду рассогласования квантово-волновых характеристик электронов и кристаллической структуры проводника.

Отсюда постулируется важнейший для практики вывод. Замкнутые кольцевые наноразмерные структуры проводников, построенные по схеме бензольных колец, являются высокотемпературными сверхпроводниками. Данный практический вывод следует подтвердить экспериментально. Исследователи, подтвердившие его, достойны получения Нобелевской премии. Практическая польза, от этого постулата, заключается, прежде всего, в том, что открывается возможность создания наноаккумуляторов электроэнергии для нужд микроэлектроники. Самое перспективное применение данного эффекта – оснащение таковым аккумулятором модуля КИБЕРНЕТИЧЕСКОЙ РЕПЛИЦИРУЮЩЕЙ СУБСТАНЦИИ НА МНОЖЕСТВЕ УНИФИЦИРОВАННЫХ МОДУЛЕЙ НАНОРАЗМЕРОВ (КС).

3.4. Свойства диполей в ферромагнетиках позволяют отнести их (свойства) к частному проявлению ВТСП на наноуровне. Этот постулат должен надежно подтверждаться экспериментально. Подтверждение засуживает высокого поощрения.

3.5. Самые большие перспективы в физике и технологиях связываются с линейной ВТСП.

В свете выдвинутой модели квантово-согласованного перемещения электронов в ВТСП, самой благоприятной линейной структурой (на наноуровне) твердого материала для возникновения ВТСП является спирально-винтовая. Это важнейший постулат! Существуют ли естественные (природные) структуры отвечающие этому требованию? Да! И они давно известны. Это …МОЛЕКУЛЫ РНК-ДНК! Как огромное количество исследователей умудрилось пропустить столь знаменательный факт?! Можно ответственно утверждать, что именно свойствами ВТСП РНК-ДНК объясняются многие труднообъяснимые, по другому, свойства биологической репликации. Для доказательства верности последнего тезиса достаточно подсчитать химическую энергетику процесса репликации. При отсутствии эффекта ВТСП процесс репликации был бы столь энергозатратным, что попросту становился невозможным. Постановку экспериментов, подтверждающих этот постулат, предоставляется исследователям, специализирующимся на данном направлении. Вместе с тем, значимость указанных подтверждающих исследований столь велика – что исследователи заслуживают еще одной Нобелевской премии. Автор данной статьи уверен в предстоящем экспериментальном подтверждении данного постулата. Уверенность проистекает из осмысления многочисленных примеров экстремального знергопроявления биологических объектов, необъяснимого без проявления свойств ВТСП.

3.6. Постулирование модели спирально-винтовой структуры ВТСП биологических материалов, ставит в повестку дня получение таковых небиологических материалов - с оптимальными ВТСП - свойствами. Каковы должны быть физико-химические характеристики таковых материалов?

Прежде всего, такие материалы должны быть линейно-ориентированными, со спирально-винтовой структурой, наноразмерного сечения. Эти материалы - «линии» схожи с пучком вытянутых (не свернутых в клубок, как водится в белках) молекул РНК-ДНК. Можно привести аналогию многожильного кабеля. Свойство ВТСП, в таком материале, будет проявляться только по одной (продольной) координатной оси. Между отдельными ВТСП – линиями должна находиться электроизолирующая среда. Тем самым проявляется еще одна аналогия с многожильным кабелем. Электропроводность (в ВТСП – режиме) каждой линии будет весьма низка. Высокая электропроводность «кабеля» определяется суммой линий наноразмерного сечения, представленных в кабеле.

Требуется эффективная сумма технологий получения материалов с ВТСП – свойствами.

4. Технологии изготовления ВТСП – материалов.

Представляется существенной проблемой - изготовления сверхдлинных линий (на стыках линий возникнет обычное электросопротивление, и эффект ВТСП исчезает) и упорядоченный монтаж в кабеле. Проблема решается объединением обеих технологий в единую технологию. Параллельно происходит изготовление множества линий и монтаж их в один кабель, как это происходит в планарных технологиях.

Вместе с тем, уже применяемые в производстве микроэлектроники, планарные технологии (и эпитаксия, в частности) в известном виде -

не годятся. Здесь явно необходим трехмерный монтаж, причем, 3-е измерение, отвечающее за протяженность линии, – особо важно.

Требуется организующая среда по третьему (продольному) измерению. Ничего лучше электромагнитного поля, в данном применении, не представляется. Полоидальное магнитное поле оптимальной анизотропии представляется тем «каркасом», вдоль которого формируются ВТСП- линии. Кроме упомянутого силового «каркаса» требуются еще и материальные носители основы нитей. Здесь никак не обойтись без ферромагнитных материалов. Предположительно годится для этих целей атомарное железо (Fe). Сам наноспиральный проводник, нанизанный на железную (одноатомного сечения) основу должен изготавливаться из углерода (С).

Для придания согласованного вращательного формирования углеродной нити вокруг железной основы требуется пропускать вдоль формируемой нити оптимальной величины ток. Допускается возможным - подача «стройматериала» кластерами - Fe C.

Еще одним необходимым условием является формирование линий в электроизолирующей среде, которая, после завершения технологического процесса, стабилизируется «застывает» и остается частью кабеля на весь период эксплуатации. Изолирующий слой каждой линии должен быть весьма тонким (наноразмеров), стабильным в процессе изготовления и в процессе эксплуатации. Его стабильность и устойчивость к различным физическим характеристикам окружающей среды (прежде всего – температурным) во многом определяют функциональные возможности ВТСП-кабеля в целом.

Необходимо использовать химические условия технологического обеспечения, лучшим образом защищающие конечный продукт – ВТСП-кабель. Основная концепция и идеи получения ВТСП показаны. Все детализирующие исследования и разработки касаются подбора конструктивных материалов (их перечня, пропорций и концентрации), а также параметрических характеристик технологии (температуры, напряженности магнитного поля, величины электрического тока и т.д.). Hекоторые параметры определяются эмпирически.

Заключение.

Показанная часть технологии изготовления ВТСП-материалов далеко не исчерпывающая. Учитывая современную практику массового плагиата и полного попрания императива интеллектуальной собственности, автор вынужден другую часть технологии опубликовать c задержкой на персональном сайте автора http://futurocosmos.uCoz.ru/

Перед исследователями открываются два пути.

Первый: не ожидая недостающей части самостоятельно приступить к работам на показанном ПУТИ получения ВТСП. Опубликованного материала более чем достаточно - для развертывания работ (и получения позитивного результата) на данном направлении.

Второй: ждать исчерпывающей авторской публикации, но публикация последует только тогда – когда реально развернутся работы по всему комплексу разработок автора, представленных на сайте и опубликованных в книге: «Колонизация космоса: проблемы и перспективы».

Полезно для общества покончить с практикой «выхватывания» наиболее простых к реализации технических решений, сулящих получение скорой меркантильной выгоды.

Первым приоритетом является реализация ВТСП (и прочих авторских изобретений и разработок) в России и получение на этой основе технологического преимущества в конкуренции с иными странами и нациями.

Честь имею!

Академик

и изобретений (МААНОИ),

доктор РАЕН Золотухин Владимир Антонович.

Найтовский сдвиг

Частота ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для одного и того же ядра зависит от того, входит ли это ядро в состав металла или в состав диэлектрика. Сдвиг частоты ЯМР в металле по сравнению с диэлектриком, называемый сдвигом, или смещением Найта, объясняется большой вероятностью пребывания электронов проводимости в месте нахождения ядер. Эти электроны намагничиваются внешнем полем, и полное магнитное поле на ядре оказывается несколько большим внешнего поля. Поскольку магнитная восприимчивость нормальных металлов практически не зависит от температуры, постоянен в них и найтовский сдвиг.

В сверхпроводниках найтовский сдвиг наблюдают в эмульсиях или стопках тонких плёнок (размер частиц эмульсии или толщина плёнок должны быть гораздо меньше д, чтобы магнитное поле в них было достаточно однородным). Величина сдвига ниже Т к уменьшается, но даже при Т=0 сохраняет конечное значение, достигающее 75% от нормального. На первый взгляд это противоречит теории сверхпроводимости. Действительно, в основном состоянии с наименьшей энергией электроны объединены в куперовские пары, полный электронный спин которых равен нулю. Поэтому намагнитить электронную систему можно, лишь разорвав пары, но для этого нужна конечная энергия. Отсюда следует, что магнитный момент не может линейно зависеть от внешнего поля, т.е. магнитная восприимчивость равна нулю.

Наиболее убедительное объяснение конечной величины найтовского сдвига в сверхпроводниках при Т=0, по видимому, заключается в следующем. В образцах малых размеров электроны испытывают рассеяние от границ образцов и границ кристаллитов (величина которых меньше или порядка размеров образцов). Благодаря спин-орбитальному взаимодействию существует некоторая вероятность того, что при таком рассеянии спин электрона изменит свою ориентацию. Благодаря этому электронная система может намагничиваться в слабом магнитном поле.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Чрезвычайно важным с практической точки зрения является вопрос высокотемпературной сверхпроводимости. Из всей известных материалов наибольшей температурой перехода в сверхпроводящее состояние обладает сплав (Nb 3 Al) 4 + Nb 3 Ge; Т к для него ~ 20 0 К. Для её получения требуется применение жидкого гелия. Рассмотренный ранее механизм перехода в сверхпроводящее состояние основан на межэлектронном взаимодействии посредством кристаллической решетки, то есть за счет обмена фононами. Теория БКШ показывает, что Т к непосредственно связана с интенсивностью силы притяжения, возникающей между электронами, и определяется следующим соотношением:

Т к = ие -1/g , (82)

где и - температура Дебая, g - константа, зависящая от силы притяжения между электронами и по порядку величины не превосходящая Ѕ, а практически всегда меньше Ѕ. При g = 1/3 максимальная критическая температура, которую можно получить для материала с и =500 0 К, составляет: Т к = ие -3 = 0,05и ~ 25 0 К. Конечно, эта оценка является очень грубой, но она достаточна для того, чтобы понять, что достичь высокотемпературной сверхпроводимости (Т к > 70-100 0 К) не представляется возможным. Следует подчеркнуть, что даже достижение Т к ~ 25 0 К было бы исключительно важным с практической точки зрения, так как позволило бы перейти от жидкого гелия к значительно дешёвому жидкому водороду. Таким образом, для реализации высокотемпературной сверхпроводимости необходимо искать другой механизм корреляции электронов.

Идея высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в органических соединениях была выдвинута в 1950г. Ф.Лондоном и лишь спустя 14 лет появился отклик на эту идею в работах американского физика В.Литтла, который выдвинул смелое предположение, что возможны сверхпроводники не металлической, а органической природы. Важное место в своих рассуждениях Литлл отводил полимерным молекулам, в основной цепи которых есть чередующиеся единичные и кратные связи (химики называют такие связи сопряжёнными). Дело в том, что каждая химическая связь, соединяющая атомы, - это пара принадлежащих им обоим электронов. В цепочке сопряженных связей степень обобществления электронов ещё выше: каждый из них в равной мере принадлежит всем атомам цепочки и может свободно перемещаться вдоль нее. Корреляция электронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется за счет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фрагментов может быть более сильной, а критическая температура более высокой, чем при фоновом механизме. Эту особенность сопряженных связей в основной цепи полимерной молекулы Литлл полагал важной предпосылкой для перехода в сверхпроводящее состояние. Необходимой для перехода он считал и особую структуру ответвлений от основной цепи. Составив проект своего полимера, учёный заключил: вещество с такими молекулами обязано быть сверхпроводящим; более того - в это состояние оно должно переходить при не очень низкой температуре, возможно, близкой к комнатной. Схематическая модель органического сверхпроводника изображена на рис 13.

Рис. 13

Проводники, свободные от всяких энергетических потерь при совершенно обычных условиях, конечно же, совершили бы революцию в электротехнике. Идея американского физика была подхвачена во многих лабораториях различных стран. Однако довольно быстро выяснилось, что придуманный Литллом полимер никак не мог перейти в сверхпроводящее состояние. Но энтузиазм, рожденный смелой идей, дал свои плоды, пускай и не там, где они предвиделись на первых порах. Сверхпроводимость была всё - таки обнаружена за пределами мира металлов. В 1980 году в Дании группа исследователей под руководством К. Бекгарда, экспериментируя с органическим веществом из класса ион-радикальных солей, перевела его в сверхпроводящее состояние при давлении 10 килобар и температуре на 0,9 градуса выше абсолютного нуля. В 1983 году коллектив советских физиков, возглавляемый доктором физико-математических наук И.Ф. Щеголевым, добился от вещества того же класса перехода в сверхпроводящее состояние уже при 7 градусах абсолютной шкалы температур и при нормальном давлении. В ходе всех этих поисков и проб вниманием исследователей не был обойден и карбин. (Карбин - органическое вещество, крайне редко встречающееся в природе. Структура которого - бесконечные линейные цепочки из атомов углерода. Свою структуру сохраняет при нагреве до 2000 С, а затем, начиная примерно с 2300 С, она перестраивается по типу кристаллической решётки графита. Плотность карбина составляет 1,92,2 г/см.

(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))

В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости, разработанной академиком В.Л.Гинзбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны - экситоны. Подобно фононам они являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с переносом электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электронной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры (Т c =200 К).

В конце 1986 г. было опубликовано сообщение К. Мюллера и Дж. Беднореца из Швейцарии об открытии сверхпроводимости керамики лантан - барий - медь - кислород при температуре, превышающей 30 0 К. Вскоре пришли сообщения из Японии и США о сверхпроводимости керамики лантан - стронций - медь - кислород при температурах 40-50 0 К. В СССР в лаборатории А. Головашкина в Физическом институте АН СССР было обнаружено, что в керамике на основе иттрия сверхпроводимость начинается при температуре 120 0 К. В настоящее время ведутся интенсивные поиски сверхпроводников с температурами, более высокими (возможно даже комнатными), которые уже привели к открытию обширного класса материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние при азотных температурах. Весьма перспективны в этом отношении полимерные сверхпроводники.

Наряду с изысканием сверхпроводящих материалов с повышенной Т к, основанных на эффекте спаривания электронов проводимости через положительно заряженные ионы решётки, в лабораториях всего мира ведутся интенсивные поиски других механизмов взаимодействия электронов, способных привести к более эффективному их притяжению, а следовательно, к получению сверхпроводящих материалов со значительно более высокой температурой перехода Т к..

1) В 1957 году создана универсальная теория БКШ, которая дала принципиальное объяснение явлению сверхпроводимости.

2) Электронную систему в сверхпроводнике можно представить как состоящую из связанных пар электронов (куперовских пар), а возбуждение, как разрыв пары.

3)Электронная система, находящаяся в сверхпроводящем состоянии, отделена от основного энергетической щелью ширины Е св.

4) В точке перехода в сверхпроводящее состояние теплоёмкость меняется скачком.

5) На основе теории сверхпроводимости было открыто явление, которое названо эффектом Джозефсона. Он заключается в протекании сверхпроводяшего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Различают два эффекта Джозефсона - стационарный и нестационарный.

6) Магнитный поток в сверхпроводнике квантуется и может принимать только ряд дискретных значений.

7)Промежуточное состояние сверхпроводников I рода зависит от формы образца, его расположения во внешнем магнитном поле и возникает далеко не всегда. Смешанное же состояние сверхпроводников II рода является внутренним свойством и возникает в образцах любой формы, как только магнитное поле достигает критического значения.

Сверхпроводимость представляет собой квантовое явление, проявляющееся в макроскопических масштабах. Сверхпроводимость возникает при охлаждении некоторых веществ до определенной для данного вещества критической температуры, при которой вещество скачкообразно переходит в особое сверхпроводящее состояние. Фундаментальной особенностью сверхпроводников является полное отсутствие электрического сопротивления.

Данное явление было открыто в 1911 году Х. Камерлинг-Оннесом. Сверхпроводимость можно наблюдать в следующем опыте. Металлическое кольцо помещается в магнитное поле В при температуре выше критической T c . Затем температура понижается до значений Т < T с. После этого поле В выключают. По закону электромагнитной индукции изменение магнитного поля вызывает в образце появление тока. Вследствие того, что в образце отсутствует сопротивление, ток может циркулировать бесконечно долго.

Если при температурах Т< T 0 увеличить индукцию В магнитного поля, то при некотором критическом значении В кр, которое называется критическим магнитным полем, сверхпроводящее состояние нарушается. Согласно современным представлениям сверхпроводящее и нормальное состояния представляет собой две фазы вещества, которые могут переходить друг в друга (рис.1).

Рис. 1.

Второе фундаментальное свойство сверхпроводников заключается в эффекте Мейснера, т.е. сверхпроводники становятся идеальными диамагнетиками и выталкивают внешнее магнитное поле. В отличие от них идеальные проводники с сопротивлением должны захватывать магнитный поток. На приведенном ниже рисунке 2 показано поведение сверхпроводящего шара и проводника с сопротивлением при различных температурах и внешних магнитных полях. На рис2. рассмотрены случаи:2а) Т>Т к, 2б) Т<Т к, внешнее магнитное поле не равно нулю 2в) Т<Т к, внешнее магнитное поле равно нулю

Рис.2

Эффект Мейснера связан с тем, что в приповерхностном слое, толщиной около 10 –6 см начинает циркулировать постоянный ток, сила которого такова, что созданное им поле компенсирует внешнее поле в толще сверхпроводника.

Различают сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники I рода переходят в нормальное состояние скачкообразно, а проводники второго рода переходят в нормальное состояние постепенно. На приведенном рисунке показана зависимость намагниченности М от индукции В внешнего магнитного поля. Начальные кривые от 0 до критического значения В с у сверхпроводников I и II рода одинаковы. Они соответствуют эффекту Мейснера. Сверхпроводники I рода (рис.а) при критическом значении магнитного поля скачкообразно переходят в нормальное состояние, при этом их намагниченность резко уменьшается.

Сверхпроводники II рода (рис.б) при критическом значении магнитного поля начинают плавно переходить в нормальное состояние, при этом их намагниченность уменьшается плавно.

До 80-х годов самая высокая критическая температура у сверхпроводников имела значение 23 К.

В 1986 году были открыты сверхпроводники с критическими температурами 35 К. Сейчас открыты материалы с критическими температурами 135 К. До этих открытий в качестве охлаждающего вещества применялся жидкий гелий (температура кипения при нормальном давлении 4,2 К). После открытия сверхпроводников с критическими температурами, превосходящими 77,3 К(температура кипения азота) стали применять в качестве охлаждающего вещества более дешевый и доступный азот. Соответственно о низкотемпературных сверхпроводниках стали говорить как о сверхпроводниках гелиевого уровня температур, а о высокотемпературные сверхпроводники назвали сверхпроводниками азотного уровня температур.

К пониманию природы низкотемпературной сверхпроводимости привели два экспериментальных факта.

1. Металлы, являющиеся при комнатных температурах хорошими проводниками (серебро, медь) не обладают свойством сверхпроводимости. Плохие проводники (ртуть) при низких температурах становятся сверхпроводниками. Хорошая проводимость серебра и меди указывает на слабое взаимодействие электронов с кристаллической решеткой. Наоборот, в ртути электроны взаимодействуют с решеткой более интенсивно.

2. Для большинства сверхпроводников выполняется соотношение , где М – масса атома изотопа. Явление получило название изотопический эффект. Это соотношение указывало на взаимодействие электронов с ионами кристаллической решетки.

Качественно явление низкотемпературной сверхпроводимости может быть описано следующим образом. Электрическое поле движущегося электрона воздействует на кристаллическую решетку, деформируя (поляризуя) её. При этом электрон оказывается в окружении положительного облака заряда узла кристаллической решетки. Если суммарный заряд области электрона и поляризованного иона окажется положительным, то эта область может притянуть другой электрон. При этом через взаимодействие с положительным узлом кристаллической решетки в пару объединяются электроны, имеющие противоположно ориентированные спины и импульсы. Такая пара называется куперовской парой по фамилии ученого Л. Купера, разработавшего эту теорию. Куперовская пара имеет спин, равный 0, она подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна. Поэтому при низких температурах превращение в куперовские пары носит массовый характер. Каждый электрон с импульсом может вступить во взаимодействие лишь с таким электроном, импульс которого равен . Состояния электронов в кристалле постоянно меняются, поэтому постоянно изменяются и наборы пар. Этот процесс обеспечивает связь между всеми куперовскими парами. Такую совокупность куперовских пар можно рассматривать как бозе-конденсат.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости стало неожиданностью для теоретической физики, т.к. теория низкотемпературной сверхпроводимости не давала высоких значений критических температур.

Среди высокотемпературных сверхпроводников особую группу составляют купраты – соединения со сложной слоистой структурой. Кристалл купрата можно образно сравнить с "сэндвичем" из различных элементов. В.Л. Гинзбургом была рассмотрена модель сверхпроводника, состоящего из металлической пленки, расположенной между слоями диэлектрика или полупроводника. Электроны этих слоев отталкиваются электронами металла, вследствие чего вокруг последних возникает облако положительного заряда, что способствует образованию куперовских пар. По оценкам В.Л. Гинзбурга такая модель допускает существование критических температур до 200 К.

К настоящему времени хорошо разработанной теории высокотемпературной сверхпроводимости не существует.

Сверхпроводники используются в различных устройствах и приборах. Из сверхпроводниковых изделий гелиевого уровня температур используются томографы, сепараторы и накопители энергии. Сверхпроводящие томографы обеспечивают более высокое качество диагностики внутренних органов, сепараторы применяются для обогащения руд, накопители обеспечивают запас энергии порядка нескольких киловатт-часов.

Замена жидкого гелия на азот в качестве охлаждающего вещества в сотни раз сокращает расходы на создание установок.

Замена обычных проводников на высокотемпературные сверхпроводники значительно уменьшает их вес, существенно увеличивает время эксплуатации. В настоящее время они применяются в системах спутниковой и сотовой связи, прецизионной аппаратуре, измеряющей ничтожно малые токи, изменения магнитных потоков.

В цифровой сверхпроводниковой электронике создаются устройства с большим числом элементов на одном чипе.

Между сверхпроводящим кольцом и магнитом возникает отталкивание. Это явление может применяться в моторах, гироскопах. Во многих странах разрабатываются проекты поездов на магнитной подушке. По сверхпроводнику монорельсу попускается электрический ток. В вагонах поезда размещаются сверхпроводящие магниты. Вагоны зависают над рельсом. Такой поезд развивает скорость, сравнимую со скоростью самолета.

Первооткрыватель сверхпроводимости Камерлин-Оннес. (1911), www.superconductors.org

Авторы наиболее популярной модели сверхпроводимости (БКШ) – Джон Бардин, Леон Куппер, Джон Шриффер (1957), www.superconductors.org

Родоначальники ВТСП. Лауреаты Нобелевской премии Алекс Мюллер и Георг Беднорц, www.superconductors.org

Открытие ртуть-содержащих ВТСП-фаз на Химфаке МГУ – Е.В.Антипов и С.Н.Путилин, www.icr.chem.msu.ru

(Третьяков Ю.Д., Гудилин E.A., Химические принципы получения металлоксидных сверхпроводников, Успехи Химии, 2000, т.69, н.1, с.3-40. )

История сверхпроводимости характеризуется цепочкой открытий все более и более сложных структур, своеобразной "химической эволюцией" от простого к сложному. Она ведет начало с 1911 г., когда голландский физик Камерлинг-Оннес, впервые получивший жидкий гелий и тем самым открывший путь к систематическим исследованиям свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю, обнаружил, что при 4.2 К обычная металлическая ртуть (простое вещество, представляющее собой"плохой металл") полностью теряет электрическое сопротивление. В 1933г. Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники (СП) одновременно являются и идеальными диамагнетиками, то есть полностью выталкивают линии магнитного поля из объёма СП.

Всё это в принципе открыло широчайшие возможности для практического применения сверхпроводимости. Однако на пути к реализации этих идей длительное время существовала непреодолимая преграда - крайне низкая температура перехода в СП состояние, называемая критической температурой (Т с). За 75 лет, прошедших со времени открытия Камерлинг-Оннеса, эту температуру удалось поднять лишь до 23,2 К на интерметаллиде Nb 3 Ge, причем общепризнанные теории сверхпроводимости (БКШ) порождали неверие в принципиальную возможность преодоления этого температурного барьера.

В 1986г. Беднорц и Мюллер обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La 2-x Ba x CuO 4) переходить в СП состояние при 30К. Сложные купраты аналогичного состава были синтезированы в 1978г. Лазаревым, Кахан и Шаплыгиным, а также французскими исследователями двумя годами позже. К сожалению, электропроводность этих образцов была измерена лишь до температуры кипения жидкого азота (77К), что не позволило обнаружить эффект сверхпроводимости.

Важнейшей чертой открытия ВТСП можно назвать то, что сверхпроводимость была обнаружена не у традиционных интерметаллидов, органических или полимерных структур, а у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства. Это разрушило психологические барьеры и позволило в течении короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных СП почти одновременно в США, Японии, Китае и России:

Февраль 1987 г. – Чу и др. синтезируют, используя идею"химического сжатия" для модифицирования структуры, СП керамику из оксидов бария, иттрия и меди YBa 2 Cu 3 O 7-x с критической температурой 93 К, то есть выше точки кипения жидкого азота.

В январе 1988г. Маеда и др. синтезируют серию соединений состава Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4 , среди которых фаза с n=3 имеет Т с =108К.

Месяц спустя Шенг и Херман получили сверхпроводник Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 c T с = 125K.

В 1993г. Антипов, Путилин и др. открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+ d (n=1-6). В настоящее время фаза HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg -1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры (135К), причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164К, что лишь на 19К уступает минимальной температуре, зарегестрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, СП"химически эволюционировали", пройдя путь от металлической ртути (4.2 К) к ртуть-содержащим ВТСП (164 К).

Всего к настоящему времени известно около 50 оригинальных слоистых ВТСП-купратов. Время от времени в печати появляются сенсационные сообщения о создании новых СП с Т с выше комнатной температуры. И хотя безмедные СП известны довольно давно, на них до сих пор не удавалось достичь сколько-нибудь высокой температуры перехода в СП состояние (рекордные значения Т с для безмедных СП достигнуты у Ba 1-x K x BiO 3 и у фазы внедрения на основе фуллерена (Сs 3 C 60). Отдельно следует упомянуть также направление, связанное с попытками синтеза"экологически безопасных" ВТСП, не содержащих тяжелых металов (Hg, Pb, Ba), например получаемых под высоким давлением оксикупратных фаз кальция.