Высокотемпературные Сверхпроводники

содержание

ввдение

 

1. Открытие сверхпроводимости. прогресс и прогнозы применения сверхпроводимости..................................................................................................

1.1 Открытие сверхпроводимости..............................................................4

1.2 Прогресс и прогнозы  применения сверхпроводимости.....................7

 

2. Физические Основы Сверхпроводимости......................................................12

2.1 Критическое поле.............................................................................12

2.2 Разрушение сверхпроводимости током. Промежуточное состояни13

2.3 Изотопический эффект. Электрон-фононное взаимодействие

 Куперовские пары..........................................................................................14

2.4 Длина проникновения и длина  когерентности...................................15

2.5 Магнитные свойства сверхпроводников I рода..................................18

2.6 Джозефсоновские эффекты..................................................................20

 

3. Высокотемпературные  Сверхпроводники......................................................26

3.1 Общие замечания о сверхпроводниках  II рода...................................26

3.2 Длина когерентности и анизотропия высокотемпера сверхпроводников (ВТСП)...........................................................................28

3.3 Вихревая структура ВТСП и  пиннинг магнитного потока...............31

3.4 Взаимодействие флюксоидов с  центрами пиннинга.........................35

3.5 Слабые связи Джозефсоновского  типа.............................................36

 

Заключение.............................................................................................................38

Список Литературы......................................................................................................49

 

Введение

Открытие в 1986 г. высокотемпературных  сверхпроводников (ВТСП) на основе оксидов  меди с температурой перехода в сверхпроводящее  состояние большей, чем температура дешевого, нетоксичного и доступного жидкого азота (77 К), ознаменовало качественный скачок в разработке и применении новых технических проводников, устройств передачи, превращения и сохранения энергии.

Исследование микроструктуры и свойств ВТСП, а также области их применения является целью данной работы.

Сведения об открытии, о прогрессе и прогнозе применения сверхпроводимости приведены в первой части работы. Во второй части раскрывается общая теория сверхпроводимости и связанных с ней физических явлениях,  необходимые для понимания процессов, проходящих в ВТСП. Особое внимание уделено Джозефсоновским эффектам, имеющим серьёзное прикладное значение. О связях Джозефсоновского типа речь пойдёт так же и в третьей части. Тема ВТСП обсуждается в третьей части, в которой речь идёт в основном о свойствах и явлениях, знание которых является основой для дальнейшего углублённого изучения вопросов, связанных с ВТСП, а также для исследования вопросов получения новых материалов.

 

1. Открытие сверхпроводимости прогресс и прогнозы применения сверхпроводимости

1.1 Открытие сверхпроводимости

Открытие сверхпроводимости - феномена, при котором течение  электрического тока в материале  происходит без заметной диссипации энергии, явилось одним из величайших научных достижении XX в. Данное явление сопровождается скачкообразным падением электрического сопротивления до нуля при охлаждении ниже критической температуры (Т_с), называемой температурой сверхпроводящего перехода, которая определяется для каждого конкретного материала.

В 1911 г. Хейке Каммерлинг-Оннес, исследовавший свойства ряда металлов вблизи

температуры жидкого  гелия (4,2 К), обнаружил, что ртуть, охлажденная  до температуры ~4,25 К, теряет электрическое  сопротивление, т.е. становится сверхпроводником. В дальнейшем были обнаружены сверхпроводящие свойства также у ряда других металлов, некоторых сплавов и интерметаллических соединений (рис. 1.1), которые, однако, демонстрировали очень низкую критическую температуру (максимальная величина Тс= 23,2 К у Nb3Ge), ненамного превышавшую температуру жидкого гелия. Это в огромной степени тормозило практическое применение сверхпроводников вследствие высокой цены жидкого гелия (~$25 за литр) и трудности его получения. Долгое отсутствие заметных успехов в повышении критической температуры (последний рекорд для соединения Nb3Ge был достигнут в 1973 г.) порождало весьма сдержанные настроения у ученых, работавших в данной области в середине 1980-х гг. Так, экспериментаторы дискутировали вопрос о перспективах повышения Тс для Nb3Sn до величины 30 К с применением весьма экзотической технологи, а теоретики предсказывали потолок повышения критической температуры для настоящих материалов до 40 К.

Все изменилось в 1986 г. с  открытием так называемой высокотемпературной  сверхпроводимости (ВТСП) в нетрадиционных соединениях - купратах. Несмотря на достаточно большой срок и огромные усилия мирового научного сообщества, механизм, приводящий к сверхпроводимости в этих материалах, так еще до конца и неизвестен. Отличительной чертой ВТСП является то, что все они содержат атомные плоскости СuО2, играющие ключевую роль в возникновении сверхпроводимости. Первым из ВТСП был синтезирован сверхпроводник La2 – XBaXCuO4 с Tc= 30 К (Дж. Г. Беднорц, К. А. Мюллер, апрель 1986 г.). Основной же скачок открытий произошел между декабрем 1986 г. и мартом 1987 г., когда существование критических температур Тc > 30 К было подтверждено независимо группами С. Чу и К. Китазава, а затем было объявлено о сверхпроводимости при 93 К в соединениях YBa2Cu30X (YBCO), достигнутой при взаимодействии групп, возглавляемых М. By и С. Чу. Это открыло новую эпоху в исследовании сверхпроводимости: была преодолена температура кипения жидкого азота (77 К). Низкая цена (~$0,5 за литр), простые условия его получения и использования позволили в последующие годы совершить существенный рывок в разработке, изготовлении и начальном применении высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Открытие ВТСП породило настоящую эйфорию в среде ученых (в 1987 г. число исследователей в этой области выросло более чем на порядок), а также огромный интерес средств массовой информации. Ведь за один год критическая температура выросла на 70 К, в то время как за предыдущие 75 лет исследований сверхпроводимости увеличение Тc составило лишь 20 К! 1987 год как учеными, так и далекими от науки людьми был справедливо назван «Годом свершений в области физики». Публичный интерес привел к резкому увеличению средств, вкладываемых развитыми странами в исследования ВТСП. В последующие годы были открыты другие соединения (см. рис. 1.1), также превышающие температуру кипения жидкого азота: Bi2Sr2Ca2Cu3O10+X (Тc = 100 К), Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (Тc = l25 К)  и HgBa2Ca2Cu3O8 (Тс = 134 К). В условиях высокого давления (30 ГПа) в сентябре 1993 г. была установлена рекордная критическая температура 164 К в соединении HgBa2Ca2Cu3O8+Х. Все перечисленные купраты легированы дырками.

Рис. 1.

 История открытия сверхпроводников и увеличения температуры сверхпроводящего перехода[1, c. 12]

 

Периодически появляющиеся сообщения о достижении сверхпроводимости при температурах даже выше 300 К пока вызывают законные сомнения, так как при этом нарушаются четыре критерия, выработанные в 1987 г. первооткрывателями ВТСП для определения существования сверхпроводимости: 1) наличие нулевого удельного сопротивления; 2) выраженный эффект Мейсснера (когда при понижении температуры и напряженности магнитного поля ниже критических значений наблюдается полное вытеснение магнитного потока из проводника, становящегося сверхпроводящим); 3) высокая воспроизводимость результатов и 4) высокая устойчивость эффекта. Как тогда, так и теперь ошибки в определении эффекта сверхпроводимости при температурах свыше 130 К обычно связаны с двумя общими проблемами:

- с экспериментальными  ошибками неопытных экспериментаторов,  недостаточно

-знакомых с современными методами измерений, или с тем, что необходимо

-продемонстрировать для доказательства сверхпроводимости материала (последнее -встречается все реже с развитием данной области);

-с открытием «новых»  сверхпроводников, в действительности являющихся уже известными сверхпроводящими химическими соединениями, содержащими некоторые дополнительные компоненты.

Отметим, что последнюю  проблему очень трудно преодолеть даже опытным исследователям.

Главная причина, которая  заметно снизила интерес научной общественности к высокотемпературной сверхпроводимости в середине 1990-х гг. и существенно поколебала государственные ассигнования (в частности, в США) на эти цели, состояла в том, что ВТСП не смогли заменить низкотемпературные сверхпроводники и достичь достаточно широкого применения. Основным препятствием явилась присущая оксидным композициям ВТСП хрупкость материала, формирующая при изготовлении и нагружении образцов микроструктурные дефекты (поры, микротрещины, выколы и т.д.), грозящие быстрым перерастанием в макродефекты и определяющие деградацию сверхпроводящих свойств. Кроме того, ключевым параметром для инженерных приложений в большей степени оказалась плотность критического тока, Jс, нежели величина Тс. Его величина является предельным значением постоянного незатухающего электрического тока в сверхпроводящем образце, при превышении которого образец переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние.

В других (не купратных) сверхпроводящих  системах также были сделаны замечательные  открытия. В 2001 г. в широкодоступной и очень дешевой композиции MgB2 была получена Тс = 39 К [464], а в кристаллах С60 повышена температура перехода до Тс = 117 К, благодаря расширению кристаллической решетки при интеркаляции СНВг3 и легированию дырками. Эти достижения снова резко увеличили интерес к сверхпроводимости во всем мире.

 

1.2 Прогресс и прогнозы  применения сверхпроводимости

В начале 1990-х гг. начался  отсчет эры инженерных приложений ВТСП, отмеченной значительными техническими достижениями, которая утвердила использование высокотемпературных сверхпроводников в конкретных изделиях и устройствах.

Области уже существующего и  потенциального использования сверхпроводимости (как НТСП, так и ВТСП):

I. Электроника. В этой области  к достижению коммерческого успеха наиболее близки тонкопленочные и основанные на СКВИДах (сверхпроводящих устройствах квантовой интерференции) системы, а также клеточные механизмы и средства спутниковой связи. Последующее развитие применений сверхпроводимости в области электронных и информационных систем обещает очень плодотворное соперничество между полупроводниковой и сверхпроводящей технологиями, включающее интенсивное совершенствование систем охлаждения и упаковки электрических цепей и устройств с одновременным понижением их стоимости. При этом можно предположить, что существующие сравнительные преимущества полупроводников будут все более и более уменьшаться с решением проблем, присущих ВТСП.

II. Транспорт. В настоящее время  уже сформировались следующие  основные направления использования сверхпроводимости в авиации и космонавтике:

1.  Системы электромеханического  запуска.

В конструкции новейшего прямоточного двигателя воздушно-космического самолета необходимый приток воздуха достигается  только при сверхзвуковых скоростях  аппарата, что требует начального ускорения самолета. Для этой цели можно использовать взлетную сверхпроводящую платформу, не покидающую пределы аэродрома, но разгоняющую самолет до звуковой скорости. Электромагнитные системы запуска с Земли на орбиту, использующие ВТСП-магнит или линейный синхронный двигатель, представляют собой высокоскоростные электромагнитные пушки для запуска в космос тяжелых полезных грузов. Аналогичные пусковые системы применяются для замены первой ступени многоступенчатых ракет.

2.  Левитирующие системы.

Пассивные сверхпроводящие магнитные  подвесы для бесконтактного подвеса  валов могут быть использованы для  стабилизации спутников связи, а  электромеханические накопители энергии - для питания ВТСП-подшипников.

3. Электродвигатели, работающие на принципах гистерезиса и «вмороженного» магнитного потока.

Разрабатываемые гистерезисные  моторы, содержащие цилиндрические или  дисковые ВТСП-роторы, основаны на использовании  двух типов объемных сверхпроводящих  керамик: 1) монокристаллических (YBCO) или  объемных (BSCCO) элементов и 2) текстурированных из расплава YBCO-образцов. Конструктивными элементами двигателей синхронно-асинхронного типа являются объемные ВТСП-образцы, а ас-синхронные и dc-униполярные электрические машины используют ВТСП-провода (из BSCCO).

Основные направления  применения сверхпроводимости в  различных транспортных системах включают следующие:

1. Высокоскоростные поезда  и другие виды наземного транспорта  на магнитной подушке.

Сверхпроводящие (СП) электромагнитные системы (использующие для разгона платформы линейные электродвигатели) применяются для разработки скоростного наземного транспорта на основе СП-обмоток, заложенных в трассу, и СП-магнитов, размещенных в тележке вагона. При этом для экономии, накопления и эффективного использования энергии применяются СП-накопители электроэнергии, питающие ВТСП-подшипники. Левитирующие системы (Maglev - Magnetic Levitation), основанные на магнитных силах, «подвешивающих» один объект над другим, уже разработаны в Японии, США, Германии, Франции, Швейцарии, Китае и Канаде.

2. Электромобили и  автомобили.

ВТСП-электродвигатели для  электромобилей и автомобилей работают на принципах гистерезиса и «вмороженного» магнитного потока. В конструкции  используются сверхпроводящие провода, объемные элементы и толстые пленки. Назовем следующие электрические устройства и машины, использующие сверхпроводимость и разрабатываемые в настоящее время:

- ас-синхронные и dc-униполярные  электродвигатели, использующие ВТСП-

-провода (из BSCCO) и действующие при температуре жидкого водорода;

- гистерезисные моторы, имеющие цилиндрические и дисковые YBCO-роторы,

-разрабатываемые на основе монокристаллической YBCO- или BSCCO-керамики,а также текстурированных из расплава YBCO-образцов;

- двигатели синхронно-асинхронного  типа, содержащие объемные ВТСП-образцы;

- моторы с ротором  из слоистых композитов - объемных  образцов (толстых пленок) YBCO с промежуточными  ферромагнитными вкладышами (стальными   пластинами);

- левитирующие ВТСП-системы,  реализованные в электромеханических  накопителях энергии и в левитирующих подвесах, которые используются в высокоскоростных электромобилях.

3. Быстроходные суда  и военно-морской флот.

Линейные синхронные электродвигатели находят применение в стартерах авианосцев. Сверхпроводящие магнитогидродинамические системы используются в военно-морском флоте с целью уменьшения детектирования шума двигателя в торпедах и при разработке высокоэффективных двигателей для быстроходных судов. Проводятся исследования по использованию сверхпроводимости в корабельном импульсном источнике энергии, например, для авианосца.

III. Медицина. Главной задачей является использование уникально полезного, экологически безопасного и энергосберегающего потенциала сверхпроводящих материалов и магнитов. Это, в частности, относится к использованию метода магниторезонансных изображений (МРИ), быстро зарекомендовавшего себя в качестве нового и незаменимого инструмента медицинской диагностики. Перспективы метода обусловлены прогрессом, как в технике электронного изображения, так и в технологии криогенного охлаждения. Основное применение МРИ включает визуализацию концентраций молекул водорода или жидкости в различных человеческих орга- нах. Использование еще более высокополевых сверхпроводящих магнитов (так называемое функциональное МРИ) позволяет досконально точно установить распределение химических элементов, существующих в человеческом теле в намного более низких концентрациях, нежели водород. Другим перспективным направлением является использование СКВИДов - наиболее чувствительных детекторов потоков и магнитных полей - для измерения колебаний мозговой жизнедеятельности и функций мозга. Аналогичные преимущества связаны с использованием СКВИДов в кардиологии. Другие их применения охватывают неразрушающий контроль, геологические измерения и биологические исследования.