Сверхпроводящие материалы

Сверхпроводимость - это эффект внезапного скачкообразного ис­­чезновения электрического сопротивления постоянному эле­к­т­ри­­ческому току проводящего материала при охлаждении его до кри­­тической температуры сверхпроводимости Т _сп. значение Т _сп=0...82 К, т.е. эффект сверхпро­водимости наблюдается при очень низких температурах. Низкие температуры получают, осу­ще­ст­в­ляя сжижение газов. Наиболее низкой температурой сжи­же­ния Т _сж характеризуется гелий, для которого значение этой ве­ли­чи­ны со­­ставляет 4,2 К. Более высокими температурами сжижения ха­ра­к­­те­ризуется водород (Т _сж=20 К), азот (Т _сж=77 К). Удель­ное эле­к­т­ро­сопротивление сверхпроводников достигает рекордно ма­лых ве­личин - до 5×10^-24 Ом×м. Поскольку сопротивление чи­с­тых ме­та­л­лов при комнатной температуре составляет при­ме­р­­но 0,05×10^-6 Ом×м, то удельное сопротивление сверх­про­во­д­­ника ни­же, чем у чис­того металла примерно в 10¹⁶ раз.

Эффект сверхпроводимости удалось наблюдать почти у по­ло­­­вины элементов таблицы Менделеева, в том числе у 27 чистых ме­­­таллов, обладающих довольно высоким электрическим со­про­ти­­влением при комнатной температуре, пример­но (0,1...0,2)×10^-6 Ом×м.

Сверхпроводимость отсутствует лишь у благородных ме­та­л­лов (Au, Ag, Pt), а также у неблагородных металлов с высокой про­­во­ди­­мо­­с­тью - Cu, Rh (кроме Al и Pd). Не наблюдается сверх­про­­во­ди­мо­сть также у переходных металлов группы железа (Cr, Mn, Fe, Co, Ni), обладающих ферро­маг­нитными свойствами.

Наиболее известными сверхпроводниками являются олово (Т _сп= =3,72 К), свинец (Т _сп=7,2 К), ниобий (Т _сп=9,2 К). У ос­та­ль­ных металлов сверхпроводимость наблюдается или при охлаж­де_­нии под очень высоким давлением - до 10⁸...10⁹ Па, или в тон­ких пленках этих материалов.

Широкий класс сверхпроводников пре­­дставляют сплавы, интерметаллические соединения и хи­ми­че­с­кие соединения металлов. Таких сверх­проводников известно бо­лее 1000. Наиболее известными из них являются соединение V₃Ga (Т _сп=14,8 К), станнид нио­бия Nb₃Sn (Т _сп=18,0 К), гер­ма­нид ни­о­бия Nb₃Ge (Т _сп=23,3 К).

Разработаны сверх­про­­водящие ке­ра­ми­че­с­кие ма­те­ри­а­лы сложных химических со­ста­­вов на основе редко­зе­мельных ме­таллов, обладающих сверх­про­­водимостью при сра­внительно вы­со­ких тем­пературах, при­бли­­жающихся к тем­пе­ра­туре жидкого азо­­та. К ним относятся ма­те­­риалы La_1,8Sr_0,2CuO₄ (Т _сп=36 К), La_1-xBa_xCu_yO_3-y (Т _сп=56 К), YBa₂Cu₃O_6,5 (Т _сп=82 К). В на­сто­я­щее время налажен выпуск сверх­­­­про­во­дящих материалов в виде про­волоки и лент, а также по­лу­­фаб­ри­катов для изго­то­в­­ле­ния на их основе тонких пленок ме­­тодом пле­ночной ми­кро­­эле­к­тро­ники.

Открытие и получение сверхпроводящих материалов положило начало новой области электроники - криоэлектроники, т.е. эле­ктро­ни­ки низких температур.

К криоэлектронным приборам от­носятся следующие:

запоминающие и логические устройства вычислительной тех­ники и криотронные переключатели;

приборы СВЧ техники, к которым относятся генераторы, уси­лители, резонаторы, детекторы, преобразователи частоты, мо­дуляторы, фильтры, линии задержки;

измерительные приборы и датчики, сверхпроводящие маг­ни­тометры, гальванометры, болометры (приемники излучений).

Серьезной проблемой при эксплуатации криоэлектронных при­боров и устройств является необходимость охлаждения до низ­­ких температур. Поэтому основными областями применения кри­­о­элек­трон­ных приборов являются стационарная наземная ап­­па­ратура и космическая техника, работающая в космическом про­странстве при температурах, близких к абсолютному нулю. Кроме того, в ракетной и ави­а­ционной технике широко при­ме­ня­ю­тся топливные компоненты на основе сжиженных газов.