Низькотемпературна та високотемпературна надпровідність. Перспективи високотемпературних надпровідників

Стаття: Високотемпературна

Надпровідність (ВТСП).

Теоретичне обґрунтування та технологія створення

Матеріалів, які мають властивість

Високотемпературної надпровідності

(відсутність електричного опору

До кімнатних температур та вище).

Академік МААНОЇ, доктор РАЄН.

Article: Висока-температура суперconductivity (HTSC).

Доктор російської академії наукових наук).

Technology of creation of materials property high-temperature

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

1. Передумови вирішення проблеми ВТСП.

Постановка задачі (вирішення проблеми ВТСП) зумовлена ​​не тільки унікальними злекроенергетичними перспективами при її вирішенні, а й необхідністю випереджувальної реалізації ВТСП, як обов'язкової умови здійснення КИБЕРНЕТИЧНОЇ СУБСТАНЦІЇ, Що РЕПЛІКУЄ, НА МНОЖИНІ УНІФІКОВИМОВАННИХ.

Теоретичне обґрунтування та необхідність створення КС дано у книзі автора цієї статті: «Колонізація космосу: проблеми та перспективи». У момент написання книги було сформульовано основні підходи та теоретичні засади реалізації ВТСП. Автор навмисне став їх публікувати, надавши можливість іншим дослідникам вирішити проблему. Це знайшло відображення у згаданій книзі (1-е 1997 р., Новокузнецьк та 2-ге 2003 р., Тюмень - видання). Мотивацією такого вчинку стало бажання автора не брати він рішення ВСІХ генеральних науково-технічних проблем людства, і надати можливість творчості іншим дослідникам і колективам.

Остаточно «відшліфовано» технології отримання ВТСП на момент написання автором статті: «ПОЧАТКИ ЗАГАЛЬНОЇ ТЕОРІЇ УНІВЕРСУМУ» (НОТУ), (2010 – 2011 рр.). При її публікації було анонсовано і публікацію цієї (за ВТСП) статті (див. матеріали на персональному сайті автора).

Оскільки, досі інші дослідники не вирішили проблему ВТСП автор цієї статті публікує своє бачення її вирішення. Далі «давати фору» іншим дослідникам - немає сенсу.

Разом з тим, при публікації цієї статті, автор вживає цілий комплекс протиплагіатних заходів, а саме: випереджальне розсилання по безлічі інстанцій (редакції профільних журналів та ін. ЗМІ, РОЗАТЕНТ, РАН, адміністрація Президента Росії, ФПІ та ін.) паперовою поштою, з оголошеною датою пріоритету з поштового відправлення; подальше розсилання за профільними адресатами електронною поштою; логічні «закладки» у змісті статті

Тільки в останню чергу розміщується текст статті на персональному сайті автора у супроводі оголошень про її публікацію на інших сайтах.

Вжито й інших, не оголошених (але… - ефективних), протиплагіатних заходів. Хижим і бездарним любителям поживитись чужою інтелектуальною власністю - тут робити нічого.

Слід додати, що шляхи вирішення проблеми ВТСП пов'язані і походять з постулатів НОТУ. Тут відбито логіку узагальнюючої теорії універсуму хоч і не завжди абсолютно (вичерпно). Крім того, показані шляхи вирішення проблеми ВТСП є невід'ємною складовою всього КОМПЛЕКСУ ідей та розробок автора.

2. Теоретичні засади.

Ефект надпровідності був відкритий Камерлінг-Оннесом ще в 1911 р. під час дослідів з вивчення електричного опору в ряді металів за наднизьких температур. Кількість надпровідних матеріалів обчислюється, на сьогодні, десятками. Найвищі температури переходу в надпровідний стан (Тс) у класичних матеріалів (металів та сплавів) досягає 23,2 К (у інтерметаліду ніобію та германію). Рекордні значення критичних температур отримані після відкриття Г.Беднорца та К.Мюллера нового класу надпровідників – керамік, що містять у собі купрум. Тут критична температура досягає

135 К. Надпровідник поділяються: на С/П I-роду та на С/П I I-роду.

У перші магнітне поле практично не проникає (виштовхується – тобто виявляє властивість ідеального діамагнетика). По-друге, магнітне поле проникає. Загальноприйнятим теоретичним обґрунтуванням існування надпровідності вважається теорія БКШ (Бардіна-Купера-Шриффера). Пояснення ефекту С/П, зводиться до виникнення у матеріалі бозонних пар електронів та прояві фононного механізму. Разом про те, відкриття надпровідних керамік показало недостатність БКШ розуміння всіх характеристик ефекту надпровідності.

Найважливішим і найактуальнішою науково-технічною завданням є теоретичне обгрунтування та пошук (або виробництво) С/П матеріалів з критичною температурою (ТЗ) близько 300 градусів К і вище (т.зв. високотемпературної надпровідності - ВТСП). Досягнення поставленої мети призведе до революції в електроенергетиці, зокрема скасовується необхідність кріогенного обладнання для отримання С/П. Далі, з'являється можливість побудови наддальних ліній електропередач, що функціонують практично без енерговтрат. Крім того, з'явиться можливість створення енергообладнання та приладів із неможливими нині характеристиками.

Такою є постановка завдання (проблеми). Постараємось її вирішити.

В основі вирішення даної проблеми повинні бути покладені не тільки квантові уявлення і теорія БКШ, а й уявлення, що виходять за рамки теорій, що стали класичними. Тим більше, що С/П в кераміках (як раніше згадано) показує властивості опису, що виходять за рамки, за допомогою БКШ. Це є загальновизнаний факт. Тому слід скористатися ширшим спектром фізичних визначень та закономірностей під час вирішення проблеми ВТСП. Для зручності сприйняття побудуємо виклад теми як окремих тез і постулатів.

3. Тези та постулати ВТСП.

3.1. В основу уявлень про поведінку електроструму у провіднику під впливом зовнішнього потенціалу повинні враховуватися ефекти протікання струму у плазмі. Відомо, що в плазмі струм (сукупний потік електронів) рухається вздовж магнітних силових ліній, при цьому електрони «обертаються» навколо згаданих силових ліній з характерними орбітами ЛАРМОРІВСЬКИМИ, що мають ДЕБАЇВСЬКИЙ радіус (див. фізику плазми). Показане переміщення характеризується надпровідними властивостями локальних ділянках. Таке випливає з фундаментальних якостей електронів (зокрема - спина та інших, описаних у НОТУ). У той самий час, подібному розгляду чомусь (невиправдано) відмовлено (?!) під час моделювання руху струму у твердих матеріалах. Тим часом цей підхід дуже продуктивний при описі локальних переміщень електронів по кристалічних (і аморфних) структурах на нанорозмірному рівні. Саме такий розгляд дає ключ: до розуміння енергетичних втрат на тепло у провіднику, а також до виникнення надпровідності.

3.2. Спіралеподібне переміщення квантово зв'язаних пар електронів (по БКШ) дає надпровідність I-роду. Спіральне переміщення не пов'язаних квантово-пар електронів дає надпровідність II-роду в плазмі.

Подібна модель справедлива і для переміщення електронів у твердих надпровідних матеріалах.

3.3. Високотемпературна надпровідність властива більшості провідників на атомних (нанорозмірних) відстанях, але зникає зі збільшенням масштабів, через неузгодженість квантово-хвильових характеристик електронів і кристалічної структури провідника.

Звідси постулюється найважливіший для практики висновок. Замкнені кільцеві нанорозмірні структури провідників, побудовані за схемою бензольних кілець, є високотемпературними надпровідниками. Цей практичний висновок слід підтвердити експериментально. Дослідники, які підтвердили його, гідні здобуття Нобелівської премії. Практична користь, від цього постулату, полягає, перш за все, у тому, що відкривається можливість створення наноакумуляторів електроенергії для потреб мікроелектроніки. Найперспективніше застосування цього ефекту – оснащення таким акумулятором модуля КИБЕРНЕТИЧНОЇ РЕПЛІКУЮЧОЇ СУБСТАНЦІЇ НА МНОЖИНІ УНІФІКОВАНИХ МОДУЛІВ НАНОРАЗМІРІВ (КС).

3.4. Властивості диполів у феромагнетиках дозволяють віднести їх (властивості) до приватного прояву ВТСП на нанорівні. Цей постулат має надійно підтверджуватись експериментально. Підтвердження засуджує високу заохочення.

3.5. Найбільші перспективи у фізиці та технологіях пов'язуються з лінійною ВТСП.

У світлі висунутої моделі квантово-узгодженого переміщення електронів у ВТСП найсприятливішою лінійною структурою (на нанорівні) твердого матеріалу для виникнення ВТСП є спірально-гвинтова. Це найважливіший постулат! Чи існують природні (природні) структури, що відповідають цій вимогі? Так! І вони давно відомі. Це …МОЛЕКУЛИ РНК-ДНК! Як безліч дослідників примудрилося пропустити такий знаменний факт?! Можна відповідально стверджувати, що властивостями ВТСП РНК-ДНК пояснюються багато важкозрозумілі, інакше, властивості біологічної реплікації. Для підтвердження вірності останньої тези досить підрахувати хімічну енергетику процесу реплікації. За відсутності ефекту ВТСП процес реплікації був би настільки енерговитратним, що просто ставав неможливим. Постановку експериментів, що підтверджують цей постулат, надається дослідникам, що спеціалізуються на цьому напрямі. Разом з тим, значимість зазначених підтверджуючих досліджень настільки велика – що дослідники заслуговують на ще одну Нобелівську премію. Автор цієї статті впевнений у майбутньому експериментальному підтвердженні цього постулату. Впевненість випливає з осмислення численних прикладів екстремального знергопрояву біологічних об'єктів, незрозумілого без прояву властивостей ВТСП.

3.6. Постулювання моделі спірально-гвинтової структури ВТСП біологічних матеріалів, ставить до порядку денного отримання таких небіологічних матеріалів - з раціональними ВТСП - якостями. Які мають бути фізико-хімічні властивості таких материалов?

Насамперед, такі матеріали мають бути лінійно-орієнтованими, зі спірально-гвинтовою структурою, нанорозмірного перерізу. Ці матеріали - "лінії" схожі з пучком витягнутих (не згорнутих в клубок, як водиться в білках) молекул РНК-ДНК. Можна навести аналогію багатожильного кабелю. Властивість ВТСП, в такому матеріалі, виявлятиметься лише по одній (поздовжній) координатній осі. Між окремими ВТСП – лініями має бути електроізолююче середовище. Тим самим проявляється ще одна аналогія з багатожильним кабелем. Електропровідність (у ВТСП – режимі) кожної лінії буде дуже низька. Висока електропровідність кабелю визначається сумою ліній нанорозмірного перерізу, представлених у кабелі.

Потрібна ефективна сума технологій отримання матеріалів із ВТСП – властивостями.

4. Технології виготовлення ВТСП – матеріалів.

Видається суттєвою проблемою - виготовлення наддовгих ліній (на стиках ліній виникне звичайний електроопір, ефект ВТСП зникає) і впорядкований монтаж в кабелі. Проблема вирішується об'єднанням обох технологій у єдину технологію. Паралельно відбувається виготовлення безлічі ліній та монтаж їх в один кабель, як це відбувається у планарних технологіях.

Разом з тим, вже застосовувані у виробництві мікроелектроніки, планарні технології (і епітаксия, зокрема) у відомому вигляді -

не годяться. Тут явно необхідний тривимірний монтаж, причому, 3-й вимір, що відповідає за довжину лінії, особливо важливо.

Потрібно організуюче середовище по третьому (поздовжньому) виміру. Нічого краще за електромагнітне поле, в даному застосуванні, не представляється. Полоидальное магнітне поле оптимальної анізотропії є тим «каркасом», вздовж якого формуються ВТСП-лінії. Крім цього силового «каркаса» потрібні ще й матеріальні носії основи ниток. Тут не обійтися без феромагнітних матеріалів. Імовірно годиться з цією метою атомарне залізо (Fe). Сам наноспіральний провідник, нанизаний на залізну (одноатомного перерізу), основу повинен виготовлятися з вуглецю (С).

Для надання узгодженого обертального формування вуглецевої нитки навколо залізної основи потрібно пропускати вздовж нитки, що формується оптимальної величини струм. Допускається можливим – подача «будматеріалу» кластерами – Fe C.

Ще однією необхідною умовою є формування ліній в електроізолюючому середовищі, яке після завершення технологічного процесу стабілізується «застигає» і залишається частиною кабелю на весь період експлуатації. Ізолюючий шар кожної лінії повинен бути дуже тонким (нанорозмірів), стабільним у процесі виготовлення та в процесі експлуатації. Його стабільність та стійкість до різних фізичних характеристик навколишнього середовища (насамперед – температурних) багато в чому визначають функціональні можливості ВТСП-кабелю в цілому.

Необхідно використовувати хімічні умови технологічного забезпечення, які найкраще захищають кінцевий продукт – ВТСП-кабель. Основна концепція та ідеї отримання ВТСП показані. Усі деталізуючі дослідження та розробки стосуються підбору конструктивних матеріалів (їхнього переліку, пропорцій та концентрації), а також параметричних характеристик технології (температури, напруженості магнітного поля, величини електричного струму тощо). Деякі параметри визначаються емпірично.

Висновок.

Показана частина технології виготовлення ВТСП-матеріалів не вичерпна. Враховуючи сучасну практику масового плагіату та повного зневажання імперативу інтелектуальної власності, автор змушений іншу частину технології опублікувати із затримкою на персональному сайті автора http://futurocosmos.uCoz.ru/

Перед дослідниками відкриваються два шляхи.

Перший: не чекаючи недостатньої частини самостійно приступити до робіт на показаному Шляху отримання ВТСП. Опублікованого матеріалу більш ніж достатньо - для розгортання робіт (і отримання позитивного результату) на цьому напрямі.

Другий: чекати вичерпної авторської публікації, але публікація буде тільки тоді – коли реально розгорнуться роботи з усього комплексу розробок автора, представлених на сайті та опублікованих у книзі: «Колонізація космосу: проблеми та перспективи».

Корисно суспільству покінчити з практикою «вихоплювання» найпростіших до реалізації технічних рішень, які обіцяють отримання швидкої меркантильної вигоди.

Першим пріоритетом є реалізація ВТСП (та інших авторських винаходів і розробок) у Росії отримання на цій основі технологічної переваги у конкуренції з іншими країнами та націями.

Маю честь!

Академік

та винаходів (МААНОІ),

доктор РАЄН Золотухін Володимир Антонович.

Найтовський зсув

Частота ядерного магнітного резонансу (ЯМР) для одного і того ж ядра залежить від того, чи це ядро ​​входить до складу металу або до складу діелектрика. Зсув частоти ЯМР в металі в порівнянні з діелектриком, званий зсувом, або усуненням Найта, пояснюється великою ймовірністю перебування електронів провідності у місці знаходження ядер. Ці електрони намагнічуються зовнішнім полем, і повне магнітне поле на ядрі виявляється дещо більшим від зовнішнього поля. Оскільки магнітна сприйнятливість нормальних металів практично залежить від температури, постійний у яких і найтовський зрушення.

У надпровідниках найтовський зсув спостерігають в емульсіях або стосах тонких плівок (розмір частинок емульсії або товщина плівок повинні бути набагато меншими, щоб магнітне поле в них було досить однорідним). Величина зсуву нижче Т до зменшується, але навіть при Т=0 зберігає кінцеве значення, що досягає 75% нормального. На перший погляд, це суперечить теорії надпровідності. Дійсно, в основному стані з найменшою енергією електрони об'єднані в куперівські пари, повний електронний спин яких дорівнює нулю. Тому намагнітити електронну систему можна лише розірвавши пари, але для цього потрібна кінцева енергія. Звідси випливає, що магнітний момент неспроможна лінійно залежати від зовнішнього поля, тобто. магнітна сприйнятливість дорівнює нулю.

Найбільш переконливе пояснення кінцевої величини найтовського зсуву в надпровідниках при Т = 0, мабуть, полягає в наступному. У зразках малих розмірів електрони зазнають розсіювання від меж зразків і меж кристаллітів (величина яких менше або порядку розмірів зразків). Завдяки спін-орбітальній взаємодії існує певна ймовірність того, що при такому розсіюванні спин електрона змінить свою орієнтацію. Завдяки цьому електронна система може намагнічуватись у слабкому магнітному полі.

Високотемпературна надпровідність

Надзвичайно важливим із практичної точки зору є питання високотемпературної надпровідності. З усієї відомих матеріалів найбільшою температурою переходу в надпровідний стан має сплав (Nb 3 Al) 4 + Nb 3 Ge; Т до нього ~ 20 0 К. Для її отримання потрібне застосування рідкого гелію. Розглянутий раніше механізм переходу в надпровідний стан заснований на міжелектронній взаємодії за допомогою кристалічних ґрат, тобто за рахунок обміну фононами. Теорія БКШ показує, що Т безпосередньо пов'язана з інтенсивністю сили тяжіння, що виникає між електронами, і визначається наступним співвідношенням:

Т к = ие -1/g , (82)

де і - температура Дебая, g - константа, що залежить від сили тяжіння між електронами і по порядку величини не перевищує Ѕ, а завжди менше Ѕ. При g = 1/3 максимальна критична температура, яку можна отримати для матеріалу з і =500 0 К, становить: Т к = ие -3 = 0,05 і ~ 25 0 К. Звичайно, ця оцінка є дуже грубою, але вона достатня для того, щоб зрозуміти, що досягти високотемпературної надпровідності (Т до > 70-100 0 К) неможливо. Слід наголосити, що навіть досягнення Т до ~ 25 0 К було б виключно важливим з практичної точки зору, оскільки дозволило б перейти від рідкого гелію до значно дешевого рідкого водню. Отже, реалізації високотемпературної надпровідності необхідно шукати інший механізм кореляції електронів.

Ідея високотемпературної надпровідності (ВТСП) в органічних сполуках було висунуто 1950г. Ф. Лондоном і лише через 14 років з'явився відгук на цю ідею в роботах американського фізика В. Літла, який висунув сміливе припущення, що можливі надпровідники не металевої, а органічної природи. Важливе місце у своїх міркуваннях Літлл відводив полімерним молекулам, в основний ланцюг яких є поодинокі і кратні зв'язки, що чергуються (хіміки називають такі зв'язки сполученими). Справа в тому, що кожен хімічний зв'язок, що з'єднує атоми, - це пара електронів, що їм належать. У ланцюжку пов'язаних зв'язків ступінь узагальнення електронів ще вищий: кожен із них однаково належить всім атомам ланцюжка і може вільно переміщатися вздовж нього. Кореляція електронів, що рухаються вздовж ланцюжка, здійснюється за рахунок поляризації цих фрагментів, а не кристалічних ґрат. Оскільки маса електрона на кілька порядків менша за масу будь-якого іона, поляризація електронних фрагментів може бути сильнішою, а критична температура вищою, ніж при фоновому механізмі. Цю особливість сполучених зв'язків в основний ланцюг полімерної молекули Літлл вважав важливою передумовою для переходу в надпровідний стан. Необхідною переходу він вважав і особливу структуру відгалужень від основного ланцюга. Склавши проект свого полімеру, учений уклав: речовина з такими молекулами має бути надпровідним; більше того - в цей стан він повинен переходити при не дуже низькій температурі, можливо, близької до кімнатної. Схематична модель органічного надпровідника зображена на рис.

Мал. 13

Провідники, вільні від будь-яких енергетичних втрат за цілком звичайних умов, звичайно ж, зробили б революцію в електротехніці. Ідея американського фізика була підхоплена у багатьох лабораторіях різних країн. Однак досить швидко з'ясувалося, що придуманий Літллом полімер ніяк не міг перейти у надпровідний стан. Але ентузіазм, народжений сміливою ідеєю, дав свої плоди, нехай і не там, де вони передбачалися спочатку. Надпровідність була все-таки виявлена ​​за межами світу металів. У 1980 році в Данії група дослідників під керівництвом К. Бекгарда, експериментуючи з органічною речовиною з класу іон-радикальних солей, перевела його в надпровідний стан при тиску 10 кілобар і температурі на 0,9 градуса вище за абсолютного нуля. 1983 року колектив радянських фізиків, очолюваний доктором фізико-математичних наук І.Ф. Щеголевим, добився від речовини того ж класу переходу в надпровідний стан вже за 7 градусів абсолютної шкали температур і за нормального тиску. У ході всіх цих пошуків і спроб увагою дослідників не було обійдено і карбін. (Карбін - органічна речовина, що дуже рідко зустрічається в природі. Структура якого - нескінченні лінійні ланцюжки з атомів вуглецю. Свою структуру зберігає при нагріванні до 2000 С, а потім, починаючи приблизно з 2300 С, вона перебудовується на кшталт кристалічної грати графіту. складає 1,92,2 г/см.

(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))

В основі теоретичної моделі високотемпературної надпровідності, розробленої академіком В.Л.Гінзбургом, лежить так званий екситонний механізм взаємодії електронів. Справа в тому, що в електронній системі існують спеціальні хвилі - ексітони. Подібно до фононів вони є квазічастинками, що переміщаються по кристалу і не пов'язані з перенесенням електричного заряду і маси. Модельний зразок такого надпровідника є металевою плівкою в шарах діелектрика або напівпровідника. Електрони провідності, що рухаються в металі, відштовхують електрони діелектрика, тобто оточують себе хмарою надмірного позитивного заряду, який призводить до утворення електронної пари. Такий механізм кореляції електронів передбачає дуже високі значення критичної температури (Т c =200 К).

Наприкінці 1986 р. було опубліковано повідомлення К. Мюллера та Дж. Беднореца зі Швейцарії про відкриття надпровідності кераміки лантан - барій - мідь - кисень при температурі, що перевищує 30 0 К. Незабаром прийшли повідомлення з Японії та США про надпровідність кераміки лантан - мідь - кисень при температурах 40-50 0 К. У СРСР у лабораторії А. Головашкіна у Фізичному інституті АН СРСР було виявлено, що в кераміці на основі ітрію надпровідність починається при температурі 120 0 К. В даний час ведуться інтенсивні пошуки надпровідників більш високими (можливо навіть кімнатними), які призвели до відкриття великого класу матеріалів, які у надпровідний стан при азотних температурах. Дуже перспективні щодо цього полімерні надпровідники.

Поряд з пошуком надпровідних матеріалів з підвищеною Т к, заснованих на ефекті спарювання електронів провідності через позитивно заряджені іони решітки, в лабораторіях всього світу ведуться інтенсивні пошуки інших механізмів взаємодії електронів, здатних призвести до більш ефективного їх тяжіння, а отже, до отримання значно вищою температурою переходу Т к.

1) У 1957 році створено універсальну теорію БКШ, яка дала принципове пояснення явищу надпровідності.

2) Електронну систему у надпровіднику можна уявити як що складається із зв'язаних пар електронів (куперовских пар), а збудження, як розрив пари.

3) Електронна система, що знаходиться в надпровідному стані, відокремлена від основної енергетичної щілиною ширини Е св.

4) У точці переходу в надпровідний стан теплоємність змінюється стрибком.

5) На основі теорії надпровідності було відкрито явище, яке названо ефектом Джозефсона. Він полягає в протіканні надпровідного струму через тонкий шар діелектрика, що розділяє два надпровідники. Розрізняють два ефекти Джозефсона – стаціонарний та нестаціонарний.

6) Магнітний потік у надпровіднику квантується і може приймати лише низку дискретних значень.

7) Проміжний стан надпровідників I роду залежить від форми зразка, його розташування у зовнішньому магнітному полі і виникає далеко не завжди. Змішаний стан надпровідників II роду є внутрішньою властивістю і виникає в зразках будь-якої форми, як тільки магнітне поле досягає критичного значення.

Надпровідність є квантовим явищем, що проявляється в макроскопічних масштабах. Надпровідність виникає при охолодженні деяких речовин до певної для цієї речовини критичної температури,при якій речовина стрибкоподібно перетворюється на особливий надпровідний стан. Фундаментальною особливістю надпровідників є повна відсутність електричного опору.

Дане явище було відкрито в 1911 Х. Камерлінг-Оннесом. Надпровідність можна спостерігати у наступному досвіді. Металеве кільце міститься в магнітне поле при температурі вище критичної T c . Потім температура знижується до значень 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.

Якщо 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).

Мал. 1.

Друге фундаментальне властивість надпровідників полягає у ефекті Мейснера, тобто. надпровідники стають ідеальними діамагнетиками та виштовхують зовнішнє магнітне поле. На відміну від них, ідеальні провідники з опором повинні захоплювати магнітний потік. На наведеному нижче малюнку 2 показано поведінку надпровідної кулі та провідника з опором при різних температурах та зовнішніх магнітних полях. На рис2. розглянуті випадки: 2а) Т>Т до, 2б) Т<Т к, внешнее магнитное поле не равно нулю 2в) Т<Т к, внешнее магнитное поле равно нулю

Рис.2

Ефект Мейснера пов'язаний з тим, що в приповерхневому шарі, товщиною близько 10 -6 см починає циркулювати постійний струм, сила якого така, що створене поле компенсує зовнішнє поле в товщі надпровідника.

Розрізняють надпровідники І та ІІ роду.

Надпровідники I роду переходять у нормальний стан стрибкоподібно, а провідники другого роду переходять у нормальний стан поступово. На наведеному малюнку показано залежність намагніченості М від індукції зовнішнього магнітного поля. Початкові криві від 0 до критичного значення У з надпровідників I і II роду однакові. Вони відповідають ефекту Мейснера. Надпровідники I роду (рис.а) при критичному значенні магнітного поля стрибкоподібно переходять у нормальний стан, при цьому їх намагніченість різко зменшується.

Надпровідники ІІ роду (рис.б) при критичному значенні магнітного поля починають плавно переходити до нормального стану, при цьому їх намагніченість зменшується плавно.

До 80-х найвища критична температура у надпровідників мала значення 23 До.

У 1986 році були відкриті надпровідники з критичними температурами 35 К. Зараз відкриті матеріали з критичними температурами 135 К. До цих відкриттів як охолоджувальну речовину застосовувався рідкий гелій (температура кипіння при нормальному тиску 4,2 К). Після відкриття надпровідників з критичними температурами, що перевищують 77,3 К (температура кипіння азоту) стали застосовувати як охолоджувальну речовину більш дешевий і доступний азот. Відповідно про низькотемпературні надпровідники стали говорити як про надпровідники гелієвого рівня температур, а про високотемпературні надпровідники назвали надпровідниками азотного рівня температур.

До розуміння природи низькотемпературної надпровідності привели два експериментальні факти.

1. Метали, що є при кімнатних температурах хорошими провідниками (срібло, мідь) не мають властивості надпровідності. Погані провідники (ртуть) за низьких температур стають надпровідниками. Хороша провідність срібла та міді вказує на слабку взаємодію електронів із кристалічною решіткою. Навпаки, у ртуті електрони взаємодіють із ґратами інтенсивніше.

2. Більшість надпровідників виконується співвідношення , де М – маса атома ізотопу. Явище отримало назву ізотопічний ефект. Це співвідношення вказувало на взаємодію електронів з іонами кристалічних ґрат.

Якісно явище низькотемпературної надпровідності може бути описано в такий спосіб. Електричне поле електрона, що рухається, впливає на кристалічну решітку, деформуючи (поляризуючи) її. При цьому електрон виявляється в оточенні позитивної хмари заряду вузла кристалічних ґрат. Якщо сумарний заряд області електрона та поляризованого іона виявиться позитивним, ця область може притягнути інший електрон. При цьому через взаємодію з позитивним вузлом кристалічної решітки в пару об'єднуються електрони, що мають протилежно орієнтовані спини та імпульси. Така пара називається куперовской парою на прізвище вченого Л. Купера, який розробив цю теорію. Куперовская пара має спин, рівний 0, вона підпорядковується статистиці Бозе-Ейнштейна. Тому за низьких температур перетворення в куперівські пари носить масовий характер. Кожен електрон з імпульсом може вступити у взаємодію лише з таким електроном, імпульс якого дорівнює . Стан електронів у кристалі постійно змінюються, тому постійно змінюються і набори пар. Цей процес забезпечує зв'язок між усіма куперівськими парами. Таку сукупність куперовських пар можна як бозе-конденсат.

Відкриття високотемпературної надпровідності стало несподіванкою теоретичної фізики, т.к. теорія низькотемпературної надпровідності не давала високих значень критичних температур.

Серед високотемпературних надпровідників особливу групу складають купрати – з'єднання зі складною шаруватою структурою. Кристал купрата можна образно порівняти з "сендвічем" із різних елементів. В.Л. Гінзбургом було розглянуто модель надпровідника, що складається з металевої плівки, розташованої між шарами діелектрика або напівпровідника. Електрони цих шарів відштовхуються електронами металу, внаслідок чого навколо останніх виникає хмара позитивного заряду, що сприяє утворенню куперівських пар. За оцінками В.Л. Гінзбург така модель допускає існування критичних температур до 200 К.

На сьогодні добре розробленої теорії високотемпературної надпровідності немає.

Надпровідники використовуються в різних пристроях та приладах. З надпровідникових виробів гелієвого рівня температур використовуються томографи, сепаратори та накопичувачі енергії. Надпровідні томографи забезпечують більш високу якість діагностики внутрішніх органів, сепаратори застосовуються для збагачення руд, накопичувачі забезпечують запас енергії близько кількох кіловат-годин.

Заміна рідкого гелію на азот як охолоджувальну речовину в сотні разів скорочує витрати на створення установок.

Заміна звичайних провідників на високотемпературні надпровідники значно зменшує їхню вагу, суттєво збільшує час експлуатації. В даний час вони застосовуються в системах супутникового та стільникового зв'язку, прецизійної апаратури, що вимірює мізерно малі струми, зміни магнітних потоків.

У цифровій надпровідникові електроніці створюються пристрої з великою кількістю елементів на одному чіпі.

Між надпровідним кільцем та магнітом виникає відштовхування. Це може застосовуватися в моторах, гіроскопах. У багатьох країнах розробляються проекти поїздів магнітною подушкою. По надпровіднику монорейку попускається електричний струм. У вагонах поїзда розміщуються надпровідні магніти. Вагони зависають над колією. Такий поїзд розвиває швидкість, порівнянну зі швидкістю літака.

Першовідкривач надпровідності Камерлін-Оннес. (1911), www.superconductors.org

Автори найбільш популярної моделі надпровідності (БКШ) - Джон Бардін, Леон Куппер, Джон Шріффер (1957), www.superconductors.org

Родоначальники ВТСП. Лауреати Нобелівської премії Алекс Мюллер та Георг Беднорц, www.superconductors.org

Відкриття ртуть-містять ВТСП-фаз на Хімфаку МДУ – Є.В.Антипов та С.Н.Путілін, www.icr.chem.msu.ru

(Третьяков Ю.Д., Гудилін E.A., Хімічні принципи отримання металоксидних надпровідників, Успіхи Хімії, 2000, т.69, п.1, с.3-40.)

Історія надпровідності характеризується ланцюжком відкриттів дедалі більше складних структур, своєрідною " хімічної еволюцією " від простого до складного. Вона веде початок з 1911 р., коли голландський фізик Камерлінг-Оннес, який вперше отримав рідкий гелій і тим самим відкрив шлях до систематичних досліджень властивостей матеріалів при температурах близьких до абсолютного нуля, виявив, що при 4.2 До звичайна металева ртуть (проста речовина, що представляє собою "поганий метал") повністю втрачає електричний опір. У 1933р. Мейснер і Оксенфельд показали, що надпровідники (СП) одночасно є ідеальними діамагнетиками, тобто повністю виштовхують лінії магнітного поля з об'єму СП.

Все це в принципі відкрило найширші можливості для практичного застосування надпровідності. Однак на шляху реалізації цих ідей тривалий час існувала непереборна перешкода - вкрай низька температура переходу в СП стан, звана критичною температурою (Т с). За 75 років, що минули від часу відкриття Камерлінг-Оннеса, цю температуру вдалося підняти лише до 23,2 К на інтерметаліді Nb 3 Ge, причому загальновизнані теорії надпровідності (БКШ) породжували зневіру в важливу можливість подолання цього температурного бар'єру.

У 1986р. Беднорц і Мюллер виявили здатність кераміки на основі оксидів міді, лантану та барію (La 2-x Ba x CuO 4) переходити в СП стан при 30К. Складні купрати аналогічного складу було синтезовано 1978г. Лазарєвим, Кахан та Шаплигіним, а також французькими дослідниками двома роками пізніше. На жаль, електропровідність цих зразків була виміряна лише до температури кипіння рідкого азоту (77К), що не дозволило виявити ефект надпровідності.

Найважливішою рисою відкриття ВТСП можна назвати те, що надпровідність була виявлена ​​не у традиційних інтерметалідів, органічних або полімерних структур, а оксидної кераміки, зазвичай проявляє діелектричні або напівпровідникові властивості. Це зруйнувало психологічні бар'єри і дозволило протягом короткого часу створити нові, досконаліші покоління металоксидних СП майже одночасно США, Японії, Китаї та Росії:

Лютий 1987 р. – Чу та ін. синтезують, використовуючи ідею "хімічного стиснення" для модифікування структури, СП кераміку з оксидів барію, ітрію та міді YBa 2 Cu 3 O 7-x з критичною температурою 93 К, тобто вище точки кипіння рідкого азоту.

У січні 1988р. Маеда та ін синтезують серію сполук складу Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4 серед яких фаза з n=3 має Т с =108К.

Через місяць Шенг і Херман отримали надпровідник Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 c T з = 125K.

У 1993р. Антипов, Путілін та ін. відкрили ряд надпровідників, що містять ртуть, складу HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+ d (n=1-6). В даний час фаза HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg -1223) має найбільше відоме значення критичної температури (135К), причому при зовнішньому тиску 350 тисяч атмосфер температура переходу зростає до 164К, що лише на 19К поступається мінімальній температурі, зареєстрована в природних умовах на поверхні Землі. Таким чином, СП "хімічно еволюціонували", пройшовши шлях від металевої ртуті (4.2 К) до ртуть-містять ВТСП (164 К).

Всього на сьогодні відомо близько 50 оригінальних шаруватих ВТСП-купратів. Іноді у друку з'являються сенсаційні повідомлення про створення нових СП з Т вище кімнатної температури. І хоча безмедні СП відомі досить давно, на них досі не вдавалося досягти скільки-небудь високої температури переходу в СП стан (рекордні значення Т з для безмедних СП досягнуті у Ba 1-x K x BiO 3 і фази впровадження на основі фулерену (Cs 3 C 60.) Окремо слід згадати також напрямок, пов'язаний зі спробами синтезу "екологічно безпечних" ВТСП, що не містять важких металів (Hg, Pb, Ba), наприклад одержуваних під високим тиском оксикупратних фаз кальцію.