Высокотемпературная сверхпроводимость

Явление сверхпроводимости раскрывает огромные потенциальные возможности для разработки принципиально новых приборов электронной техники – вольтметров, генераторов высокочастотных колебаний, магнитометров и т.д., создания сверхпроводящих магнитов, сверхпроводящих электрических ма­шин постоянного и переменного токов, систем передачи энергии по сверхпроводящим кабелям, высокоскоростного транспорта на магнитной подушке и др. Однако большим препятствием для реализации этих потенциальных возможностей является высокая стоимость установок для создания и поддержания низкой температуры, при которой возможно существование явления сверхпроводимости, и большие технические трудности эксплуатации криогенных систем.

Свойство высокотемпературной сверхпроводимости устойчиво показывают четыре группы веществ: лантановые сверхпроводники, открытые Дж. Беднорцем и К. Мюллером; иттриевые сверхпроводники, синтезированные М. By и С. Чу, и две группы материалов на основе висмута и таллия.

В лаборатории японской фирмы «Тосиба» разработана технология получения тонких пленок, характеризующихся высокотемпературной сверхпроводимостью, на основе которых можно создавать быстродействующие сверхпроводящие интегральные схемы. Поверхность пленок, полученных этим методом, близка по качеству поверхности полупроводников. Пленки, однако, оказались химически неустойчивыми из-за взаимодействия бария с парами воды. Для их стабилизации пленки покрывались слоем окиси серебра, который в контакте со сверхпроводящей пленкой также становился сверхпроводящим.

Заслуживает внимания и сообщение японской фирмы «Сумитомо» о том, что специальным методом напыления получены сверхпроводящие поликристаллические пленки, выдержи­вающие максимальную плотность тока.

Первая модель для объяснения сверхпроводимости в материалах с Т_к > 30°К была предложена в 1964 г. У. Литтлом. Она относилась к органическим материалам полимерного типа, содержащим длинные молекулы. Предполагалось, что в таких материалах спаривание электронов проводимости происходит за счет их взаимодействия с электронными возбуждениями типа экситонов в окружающих атомах, расположенных в боковых цепях полимера. Однако из-за большой энергии внутриэкситонных возбуждений, составляющих порядка нескольких электрон вольт, они не могли обеспечить процесс спаривания. Тем не менее к идее связывания электронов в пары за счет электрон-экситонного взаимодействия теоретики возвращались неоднократно

В 1987 г. для объяснения высокотемпературной сверхпроводимос­ти керамических материалов Ф. Андерсон предложил модель так назы­ваемых резонирующих валентных связей. Суть этой модели в следующем. Известно, что в керамических оксидах основную роль в сверхпроводимости играют кристаллографические плоскости, перпендикулярные оси С, в которых расположены ионы меди и кислорода. Для керамики La₂CuO₄ Андерсон использует квадратную решетку, в узлах которой находятся ионы меди и кислорода. Каждый ион меди в плоскости а, b кристалла в невозбужденном состоянии характеризуется некомпенсированным спином. Эти спины образуют антиферромагнитную подрешетку. Андерсон предположил, что все узлы объединены валентными связями в бесспиновые пары, которые не могут перемещаться и переносить заряд в недопированном кристалле из-за отсутствия свободных узлов.

Для объяснения высокотемпературной сверхпроводимости была развита биполярная теория, основанная на идее высказанной Л.Д. Ландау об автолокализации электрона в ионном кристалле, обусловленной взаимодействием электрона с продольными колебаниями локальной поляризации, осуществляемой самим электроном. Электрон удерживается в локальной потенциальной яме поляризации и своим полем поддерживает ее, при этом необходимо учитывать только инерционную часть поляризации, которая не успевает следовать за движением электрона

Остановимся еще на одной попытке объяснения высокотемпературной сверхпроводимости. Речь пойдет о бисолитонной модели, предложенной А.С. Давыдовым и В.Н. Ермаковым в 1988 г. Известно, что в нелинейных системах с дисперсией идеальный перенос энергии осуществляется уединенными волнами, называемыми солитонами. В отличие от обычных волн солитоны представляют собой одиночные пространственно локализованные возбуждения, перемещающиеся как единое целое с постоянной скоростью. Отдельные уединенные волны при столкновении проходят друг через друга, не меняя формы и скорости, т. е. не обмениваются энергией. Большая стабильность солитонов обусловлена взаимным влиянием двух явлений – дисперсии, приводящей к пространственному расплыванию возбуждения, и нелинейности, благодаря которой происходит интенсивное взаимодействие монохроматических составляющих возбуждения, в результате чего отбирается энергия от быстро уходящих волн и передается волнам отстающим.