В 1908 г. Xейке Камерлинг-Оннес получил жидкий гелий, а в 1911 г. открыл сверхпроводимость (Нобелевская премия 1913 г.).
При охлаждении до определённой температуры, называемой температурой сверхпроводящего перехода Т с, некоторые вещества скачкообразно теряют электрическое сопротивление. Если в кольце из сверхпроводника индуцировать электрический ток, то он не будет затухать в течение длительного времени. По скорости уменьшения наведенного тока было оценено, что удельное электрическое сопротивление материалов в сверхпроводящем состоянии составляет около 10–26 Ом·м, что в 1017 раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре. Напомним, что механизм сверхпроводимости заключается в совместном движении электронов куперовских пар (см. подразд. 2.2). При нагреве сверхпроводника выше критической температуры Т с происходит разрыв всех куперовских пар и сверхпроводимость исчезает.
| Рисунок 2.6 – Диаграммы состояний сверхпроводников
|
Исследуя поведение сверхпроводников в магнитном поле, обнаружили, что внешнее магнитное поле не проникает в толщу образца, затухая в его тончайшем слое, а силовые линии поля огибают сверхпроводник. Здесь следует вспомнить опыт В. К. Аркадьева с магнитом, парящим над кольцом из сверхпроводника. Это явление, получившее название эффекта Мейснера, обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, глубину проникновения которого оценивают в пределах от 10
–7 до 10
–8 м (скин-эффект, см. подразд. 2.5 и рисунок 2.3). Состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если индукция магнитного поля превысит некоторое критическое значение
В с. По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводности под действием магнитного поля различают сверхпроводники I и II рода (рисунок 2.6).
Сверхпроводники I рода теряют сверхпроводимость скачкообразно, как только индукция магнитного поля достигнет критического значения; линия раздела сверхпроводящего и обычного состояния тантала Taпоказана на рисунке 2.6 сплошной линией. Сверхпроводники II рода переходят из одного состояния в другое постепенно; линия раздела сверхпроводящего и обычного состояния ванадия V показана на рисунке 2.6 пунктирной линией. Для сверхпроводников II рода различают нижнюю и верхнюю границы значений критической индукции; в интервале между ними материал находится в промежуточном состоянии, в котором сосуществуют нормальная и сверхпроводящая фазы; такой интервал для станнида ниобия Nb3Sn показан на рисунке 2.6 в виде заштрихованной зоны. Таким образом, магнитное поле постепенно проникает в сверхпроводник II рода, однако, материал сохраняет нулевое сопротивление вплоть до верхнего значения критической индукции. Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решётки, границами зёрен, пластической деформацией и т. п., не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызывают лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое.
Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если его сила превышает некоторое критическое значение I с, а также при совместном действии этих факторов. Это ограничивает пропускную способность сверхпроводников в силовой электротехнике, но даёт возможность управления протеканием тока с помощью магнитного поля в микроэлектронных устройствах.
Техническое применение нашли интерметаллические сплавы ниобия (электропроводность интерметаллидов, см. подразд. 2.7 и рисунок 2.4), а также сверхпроводящая керамика.
Из сплавов ниобия следует отметить станнид Nb3Sn (критические параметры 18,3 К и 24,5 Тл), галлид Nb3Ga (20,3 К и 34 Тл), а также германид Nb3Ge (21–24,3 К и 37 Тл).
Для получения станнида ниобия тонкая ниобиевая проволока или полоска фольги пропускается через расплавленное олово, на её поверхности образуется кристаллическая плёнка интерметаллида. Эта плёнка хрупкая и такие сверхпроводники используются в виде нитей в медном (бронзовом) проводе, как в матрице.
Высокотемпературная сверхпроводящая керамика (ВТСП). В конце 1986 г. Карл Мюллер и Йоханес Беднорц, работая в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, обнаружили, что керамический проводник, построенный из атомов лантана, бария, меди и кислорода, имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние, равную 35 К, причём лёгкое перемещение электронов ограничено проводящими слоями CuO2; в направлении, перпендикулярном этим слоям, электропроводность очень низкая. Вскоре исследовательские группы в разных странах мира изготовили керамические материалы с температурой перехода от 90 до 100 К, например иттрий-бариевый купрат YBa2Cu3O7, которые способны оставаться сверхпроводниками II рода в магнитных полях до 20 Тл. Эти материалы получили название высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), так как их можно изучать и использовать при охлаждении сравнительно недорогим жидким азотом (77,4 К). Купратные высокотемпературные сверхпроводники представляют собой многочисленный класс и наиболее изучены; рекордные цифры 135 К для содержащих ртуть. Однако теория высокотемпературной сверхпроводимости пока не сложилась. Изучаются и другие варианты ВТСП. В 2018 г. при охлаждении наноструктурированного серебра на золотой подложке удалось получить температуру сверхпроводящего перехода 236 К.
Применение сверхпроводниковых материалов. Сверхпроводящие элементы и устройства находят всё более широкое применение для получения сверхсильных магнитных полей, регистрации инфракрасного излучения, измерения слабых магнитных потоков и сверхмалых напряжений и токов, а также в процессорах и памяти компьютеров в виде тонкоплёночных джозефсоновских контактов, имеющих очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности и большие объёмные плотности монтажа.
Провода из высокотемпературной сверхпроводниковой керамики изготавливаются по технологии «порошок в трубе» в оболочке из серебра с добавкой 10 % золота. Перспективны опыты по поиску заменителей золота, а также по замене серебра никелем.
2020-09-24
232
