Высокотемпературная сверхпроводимость. Достижения и перспективы

Министерство образования  и науки РФ

 

Нижегородский государственный 

технический университет

 

 

 

Факультет экономики, менеджмента  и инноваций

 

Кафедра “Управление инновационной  деятельностью ”

 

 

 

 

 

 

“Высокотемпературная сверхпроводимость. Достижения и перспективы”

 

 

 

 

 

Выполнил студент :

 

Руководитель:

Булюбаш Б.В.

Работа защищена

с оценкой  _ _ _ _ _ _ _ _

 

/ _ _ _ _ _ _ _ _ _/

“_ _ _ ” _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2013 г.

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород

2013 г.

ВВЕДЕНИЕ

Даже те, кто далеки от науки, слышали  о сверхпроводимости. Суть этого  явления, которое было открыто около  ста лет назад, заключается в  том, что у некоторых материалов при достаточно низких температурах отсутствует электрическое сопротивление. Такие сверхпроводники отталкивают  от себя магнитное поле. Именно на этом основан эффектный демонстрационный опыт, когда маленький магнит левитирует, то есть парит, над сверхпроводником без всякой поддержки.

Долгое время физики не могли  объяснить это явление, да и практического  применения ему не находилось. Но к  середине прошлого века ученые наконец-то смогли понять природу сверхпроводимости. Стало ясно, что и промышленности очень нужны такие материалы. Однако использовать сверхпроводимость  не удавалось по техническим и  экономическим причинам, поскольку  вещества надо было охлаждать до очень  низких температур.

Ситуация изменилась ближе к  концу прошлого века, когда было открыто множество новых, необычных  сверхпроводящих соединений, обладающих подчас удивительными свойствами. В  некоторых из них, так называемых высокотемпературных сверхпроводниках, явление возникало при гораздо  более высоких температурах, хотя все еще намного ниже нуля по Цельсию. И, тем не менее, высокотемпературные  сверхпроводники, с которыми было проще  и дешевле работать, стали активно  входить в нашу жизнь.

Сегодня мы точно знаем, что именно ВТСП -материалы могут быть использованы наяву, а не в фантастическом романе. Они нашли свое применение во множестве  технологических новшеств XXIв. – от «левитирующих» поездов на магнитной подушке и подшипников без трения, до медицинских томографов, позволяющих контролировать биотоки человеческого мозга. Разработаны и созданы образцы ВТСП проводов и кабелей, разных форм и  размеров, на основе сверхпроводящей керамики были изготовлены ВТСП двигатели, генераторы, ограничители тока, токководы, информационные системы, антенные решетки, сверхпроводящие подшипники и многое другое.   В настоящее время созданы опытные образцы ВТСП-генераторов мощностью 50 МВА (США), ВТСП – синхронный компенсатор мощностью 8 МВА (США). Ожидается, что с 2015 года ВТСП-генераторы и синхронные компенсаторы станут коммерческим продуктом и будут запущены в серийное производство. 

Однако до сих пор природа  необычной высокотемпературной  сверхпроводимости остается для  ученых загадкой.  Многие теоретики  и экспериментаторы продолжают спорить  о механизмах работы ВТСП. Начиная с 1987 года было предложено более 100 моделей механизма высокотемпературной сверхпроводимости.

В своей работе я хочу разобраться, откуда берет начало  ВТСП,  каков  химический состав веществ, в которых  была обнаружена ВТС, почему многие ученые посвящают годы на изучение данной теории и насколько важно практическое применение  высокотемпературных  сверхпроводников для будущего человечества.

1. Основная часть

 

Публикаций по данной теме достаточно много и каждый из авторов  в основном затрагивает какой-то определенный сегмент в изучении и развитии ВТСП. Каждая статья по-своему интересна и далеко не все просты для неискушенного читателя. При  раскрытии  темы курсовой работы, я искал разные статьи, связанные с происхождением и развитием ВТСП. Поиск информации по данной теме был не простым, т.к.  материала достаточно много и нужно выделить основное, не потеряв основную цель курсовой. Но это и было интересным.  Основой материал был предложен на сайтах:

1. сайт журнала "Наука и жизнь" http://www.nkj.ru/
2. сайт «Ежемесячный естественнонаучный журнал  РАН»  http://www.ras.ru/publishing/nature.aspx,
3. сайт «Наука и технологии России»  http://www.strf.ru,
4. сетевая версия журнала «Вокруг Света» http://www.vokrugsveta.ru,      
5. научно популярный сетевой ресурс «Элементы» http://elementy.ru, и др.

 

2. История открытия высокотемпературной сверхпроводимости

История развития ВТСП берет 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 1933 г. Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники (СП) одновременно являются и идеальными диамагнетиками, то есть полностью выталкивают линии магнитного поля из объёма СП (Эффект Мейснера).

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 Nb₃Ge, причем общепризнанные теории сверхпроводимости (Теория БКШ) порождали неверие в принципиальную возможность преодоления этого температурного барьера.

В 1986 г. произошел существенный скачок температуры сверхпроводящего перехода когда Беднорц и Мюллер открыли ВТСП в нетрадиционных соединениях- купратах. Они обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La_2-xBa_xCuO₄) переходить в СП состояние при 30 К. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 им  была немедленно присуждена Нобелевская премия.

Сложные купраты аналогичного состава были синтезированы в 1978 г. Лазаревым, Кахан и Шаплыгиным, а также французскими исследователями двумя годами позже. К сожалению, электропроводность этих образцов была измерена лишь до температуры кипения 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 течение короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных СП почти одновременно в США, Японии, Китае и России.

В феврале 1987 г. — Чу и др. синтезируют, используя идею «химического сжатия» для модифицирования структуры, СП керамику из оксидов бария, иттрия и меди YBa₂Cu₃O_7-x с критической температурой 93 К, то есть выше точки кипения азота.

В январе 1988 г. Маеда и др. синтезируют серию соединений состава Bi₂Sr₂Ca_x-1Cu_xO_2x+4, среди которых фаза с x=3 имеет Т_с=108К.

Месяц спустя Шенг и Херман получили сверхпроводник Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ c T с = 125K.

В 1993 г. Антипов, Путилин и др. открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa₂Ca_x-1Cu_xO_{2x+2+ d} (x=1-6). В настоящее время фаза HgBa₂Ca₂Cu₃O_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, зарегистрированной 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).

Существенный вклад в понимание  природы высокотемпературной сверхпроводимости внесли также советские физики-теоретики Виталий Гинзбург, Лев Ландау, Николай Боголюбов, Алексей Абрикосов.

С 2000г. по настоящее время  в России  из начальных 500 проектов было  поддержано только 83, значительно  более укрупненных по тематике исследований ВТСП, по кадровому составу и инвестициям. Это связано не только с общим  снижением финансирования, но и с  концентрацией усилий на осознанных прорывных направлениях. Исследования и разработки проводятся в 4-х секциях - физики, химии, электроники и техники. Объем финансирования аналогичных  исследований в США, Японии и Европейском  Союзе поддерживается на уровне 100-200 млн. долл. в год. В России эта цифра  в 100 раз меньше. При этом Россия пытается сохранить как высокий темп исследований, так и тематическую направленность.

3. Химический состав

На сайте http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/theory/792/  автор Булюбаш Б.В.в своей статье " Железная ступень к высокой температуре", опубликованной 13.11.2008г. повествует нам о новых достижениях в изучении ВТСП за счет изучения их химического состава.  " Главной неожиданностью в открытии Беднорца и Мюллера стал химический состав веществ, в которых была обнаружена ВТС. Сверхпроводником оказалась оксидная керамика (традиционно использовавшаяся как диэлектрик или полупроводник), а совсем не те вещества, которые в исследованиях по увеличению температуры сверхпроводящего перехода считались перспективными. Вполне естественно, что новый класс сверхпроводников немедленно стал объектом пристального внимания и вскоре в различных физических лабораториях были получены новые виды металлоксидных физики США,Японии, Китая и России. В состав почти всех высокотемпературных сверхпроводников нового поколения входит двуокись меди, в связи с чем они получили название купратных.

В настоящее время максимальная температура сверхпроводящего перехода при нормальном давлении составляет 135 К. В условиях высокого давления температуру перехода удается повысить, и в опытах она уже приближается к минимальной температуре, когда-либо зарегистрированной на земле — 183 К.

Открытие, сделанное недавно  японским физиком Хидео Хосоно из Токийского технологического института, было встречено с большим энтузиазмом, хотя и не было связано с продвижением вверх по шкале температур. Хосоно обнаружил ранее считавшееся невозможным: новый вид сверхпроводящих материалов, в состав которых входит железо. Статья Хосоно, сообщавшая о первом из таких материалов, вышла в свет в феврале нынешнего года в Журнале Американского химического общества (Journal of the American Chemical Society), и за прошедшее с тех пор время в редакции профильных научных журналов поступило более сотни статей о различных свойствах новых сверхпроводников. «Я не мог даже предполагать, что мои результаты вызовут такой ажиотаж», — признался однажды Хосоно в телевизионном интервью.

Его открытие стало во многом неожиданным для него самого. Задача исследования не была связана с поиском новых сверхпроводящих материалов: Хосоно занимался синтезом прозрачных полупроводников и искал их в классах самых разных химических соединений. Испробованные им вещества включали в себя железо,мышьяк, кислород и редкоземельный металл лантан. Рассчитывая увеличить электропроводность получаемого вещества, он заменил часть атомов кислорода атомами фтора, и в итоге же с удивлением обнаружил, что при температуре 26 К электрическое сопротивление изготовленных им образцов полностью исчезало.

Всего через несколько  недель эксперименты Хосоно повторили его коллеги из пекинского Института физики (Institute of Physics, CAS). Заменив лантан церием, другим редкоземельным металлом, они довели температуру перехода до 41 К. И дальше, без устали меняя элементы в химической формуле соединения, китайские физики стали неудержимо двигаться вверх по шкале температур. Сяньхуй Чень (Хianhui Chen) из Китайскогонаучно-технического университета в Хэфэе (University of Science and Technology of China) добился успеха даже дважды: заменив лантан самарием, он повысил температуру перехода ещё на два градуса, а потом заменил лантан неодимием и празеодимием, и температура сверхпроводящего перехода выросла до 50 К.

Подобными действиями уже  к лету температуру перехода удалось поднять до 55 К. Обобщая полученные результаты, можно сказать, что все эти эксперименты проводились с ранее неизвестными видами сверхпроводящих материалов с общей химической формулой ReFeAsO. Здесь Re — один из редкоземельных металлов: лантан (Ln), самарий (Sm), неодим (Nd) или празеодим (Pr).".

 

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТСП.

Ознакомившись с происхождением и  химическим составом, мне захотелось понять где в повседневной жизни это можно использовать. На данном этапе мое внимание привлекла статья Константина Ветлугина, опубликованная на сайте http://www.strf.ru  26.04.2010г. . В ней сообщается о том , что в настоящее время все усилия в области ВТСП наряду с совершенствованием их свойств и способов получения направлены на создание изделий на основе ВТСП, пригодных для применения в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов.

Параметром, непосредственно определяющим высокочастотные свойства ВТСП материалов является их поверхностное сопротивление. В обычных металлах поверхностное  сопротивление увеличивается пропорционально  квадратному корню из частоты  в то время, как в ВТСП - пропорционально  ее квадрату. Однако, благодаря тому, что начальное значение поверхностного сопротивления ( на постоянном токе) у  ВТСП на несколько порядков ниже, чем  у металлов, высококачественные ВТСП сохраняют преимущества по сравнению  с металлами при частоте до нескольких сотен гигагерц.

В последние годы имеет место  все более широкое использование  явления сверхпроводимости для  турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др.. Следует  также отметить важное направление  в работах по сверхпроводимости - создание измерительных устройств  для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.