CC BY
143
5 декабря 2011 г. 23:55
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Новое в области сверхпроводимости и перспективы
Явление сверхпроводимости всегда привлекало внимание инженеров электротехники отсутствием потерь при передаче энергии и сигналов. Однако явление имело место только при низких температурах, что затрудняло его использование. В последние годы были сделаны ряд новых существенных открытий: сверхпроводимость диборида магния, тёплая сверхпроводимость купратов и соединений железа пинктидрв, сверхпроводимость легированных наночастиц — фуплеренов и тд. Дается обзор их свойств и возможных перспектив.
Соколов С А,
Д.Т.Н, профессор МТУСИ, [email protected]
Явление сверхпроводимости было открыто голландским учёным Каммерлинг-Оннесом в 1911 г. Оказалось, что ряд материалов и сплавов (2п, А1, Бп, Нд, РЬ, ЫЬ, ЫЬ35п4, ЫЬСе и некоторые другие) при температурах, близких к абсолютному нулю, (-273°С) полностью теряют своё сопротивление и становятся сверхпроводящими (см. таблиц).
Отметим, что температура жидкого гелия равна 4,1 ?К, жидкого водорода 20° К, жидкого азота 77,4°К Критическая температура тем выше, чем больше энергия взаимодействия электронов с ионами решётки, то есть у металлов с большим сопротивлением при нормальной температуре. И, хотя теория сверхпроводимости была разработана только в 1956 году (Бардин, Купер, Шриффер — теория БКШ), предпринимались неоднократные попытки создать на основе этих материалов сверхпроводящие кабели, сулившие большие перспективы.
Однако использование этих материалов затруднено необходимостью их глубокого охлаждения в конструкции кабеля с помощью жидкого гелия и надёжной теплоизоляции от окружающей среды, что приводит к сильному усложнению и удорожанию всей конструкции. Для прокачки хладоагентов вдоль линии на большие расстояния и поддержания стабильной температуры необхсщ^о иметь вдоль трассы рефрижераторные станции, стоимость которых достаточно высока. Поэтому кабельные магистрали на основе сверхпроводников не получили развития. Разработанные кобели связи обычно представляют собой коаксиальные поры из ниобия, окружённые коаксиальными полостями (трубопроводами), через которые прокачи-воется жидкий гелий при температуре 4?К. Силовые сверхпроводящие кабели также представляют собой проводники из ниобия вместе с проводниками из алюминия, которые берут на себя нагрузку при потере сверхпроводимости по какой-либо причине. При изготовлении проводников из сплава ниобия с германием и небольшой длине линии охлаждение гелием могло быть заменено на охлаждение более дешёвым жидким водородом (20? К), так как критическая температура превышает 22? К, однако получение чистого германи-да ниобия представляет большую техническую проблему.
Еще до появления теории БКШ академик Гинзбург показал, что в сверхпроводнике должны присутствовать частицы с двухэлектронным зарядом, впоследствии получившие название куперовских пар. Грубая схема образования куперовских пар в сверхпроводнике такова. Электрон, движущийся в металле, притягивает к себе положительный ион, который слегка сменяется из положения равновесия, вытягиваясь навстречу электрону, образуя размытое облако положительного заряда, который может быть даже больше, чем заряд электрона. При низких температурах и большой массе (большой инерции) иона процесс возвращения положительного иона в прежнее состояние сильно замедлен, и размытость заряда сохраняется, даже тогда, когда вызвавший ее электрон улетел на достаточно большое расстояние, и другой электрон может оказаться вблизи иона. Вместе с тем и первоначальный электрон не в состоянии полностью оторваться. Возникоет как бы двухэлектронная молекула, ток называемая куперовская пара. Расстояние между двумя соседними куперовсхими парами (~ 0,2 нм) может быть меньше размеров самих молекул (1 -2 нм), и они чувствуют "локоть" друг друга, образуя своеобразный коллектив, который действует согласованно, например, при воздействии внешнего поля. У двухэлектронной пары нет спина, и принцип Паули не действует. При конденсации множества таких пар (конденсат Бозе-Эйнштейна) они приобретают одинаковое квантовое состояние. Так как их размеры велики, они при движении не замечают дефектов кристаллической решётки, и сопротивление движению отсутствует. При нагреве куперовские пары распадаются, и сверхпроводимость исчезает. Сверхпроводимость резко ухудшается также при частотах свыше 1 ГГц (см. рис. 1).
Очень большие электрические токи и сильные магнитные ПОЛЯ при критической температуре также уничтожают сверхпроводимость. Охлаждение влияет и на диэлектрики, меняя их электрические и физико-механические свойства. Величина диэлектрической проницаемости £ от температуры не зависит, а вот тангенс диэлектрических потерь 1д6 таких распространенных материалов, как полиэтилен, полистирол и тетрафторэтилен при глубоком охлаждении (4? К) примерно в 100 раз меньше, чем при комнатной температуре, ток как подвижность частиц и диполей убывает с температурой практически по экспоненте. Основной вкладе потери при таких температурах в диэлектриках вносят электрострикционные и резонансные потери. Индуктивность сверхпроводящих жил также не зависит от частоты и определяется только внешней индуктивностью. Таким образом, пара сверхпроводников вместе с диэлектриком при низких тем-
Критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние
металл Цинк гп Алюминий АІ Олово 5п Ртуть Н8 Свинец РЬ Ниобий мь Стан нил ниобия Германца ниобия МЬзОе
Ть °К 0,8 1,19 3,73 4.15 7.19 9.28 13 23
10
Т-Сотт, #8-2010
потери в СП .
потери в изоляции
1 ГГц
10 ГГц
100 ГГц
Рис I. Качественный грофик зависимости затухсиия в сверхлроесзднике от чостоты
пературах все же обладает определённым затуханием, но оно в сотни раз меньше, чем у обычных кабельных жил.
В 1981 г. советский физик АСАлексанаров и французский теоретик Ж. Раннингер, работая совместно (в СЕИМе — Европейском институте ядерных исследований), сделали вывод что возможно образование квази-частиц типа купероеских пар и в некоторых других веществах, например в металлооксидных керамиках. Эти чостицы получили название 6и пол яронов. При определенных условиях биполя ронная жидкость может образовывать сверхпроводимость.
В 1986 г. швейдорские ученые Мюллер и Беднорц получили первую сверхпроводящую керамику. Открытие явления теплой сверхпроводимости в керамиках с использованием редкоземельных элементов, например на основе лантана-бария-меди-кислорода, показало, что порог сверхпроводимости может быть поднят на десятки и даже сотни градусов. Для охлаждения до таких температур достаточно жидкого азота (77,4° К), гораздо более дешёвого материала, чем гелий. Эго явление вселило новые надежды на создание сверхпроводящих кабелей. В состав всех этих соединений входят оксиды меди, поэтому они получили название купратов. Кроме меди в состав керамик входит барий, лантан, кислород или иттербий вместо лантана, а также стронций.
Интересной особенностью купратов является зависимость свойств сверхпроводимости от степени легирования их атомами бария, заменяющего атомы лантана. При малой или слишком большой степени легирования сверхпроводимость исчезоет. Купраты имеют слоистую структуру из атомов кислорода, меди, лантана и бария. При гювыиении температуры существование биполяронов становится неустойчивым. Сою явление сверхпроводимости купратов получило название высокотемпературной или тёплой сверхпроводимости. Дальнейшие исследования показали, что несмотря на многообещающие надежды устойчивых теплых сверхпроводников при температуре выше 138° К не найдено, и получаемые на основе керамик сверхпроводники нестабильны. Так, например, купраты с примесью иттрия могут быть сверхпроводящими и при температурах свыше 250° К (- 23° С), однако фазы сверхпроводимости неустойчивы и быстро теряют свои свойства.
В 2001 г. Юун Акимицу открыл не предсказывавшийся теорией БКШ новый сверхпроводящий материал — диборид магния МдВ9, критическая температура которого равна 40° К. Диборид магния вопреки всем правилам сдвинул планку температуры металличес-
кой сверхпроводимости в область более высоких температур. Эго открытие имело по крайней мере два следствия: во-первых создание сверхпроводящего кабеля на основе металлов теперь будет гораздо дешевле, так как возможно охлаждение жидким водородом или неоном вместо дорогого и неудобного гелия, и, во-вторых, позволяет надеяться на открытие материалов с ещё более высокой критической температурой, подчиняющихся теории БКШ и обладающих стабильными свойствами. В то же время диборид магния обладает некоторыми свойствами, отличающими его от классических сверхпроводников и позволяющими работать при более высоких температурах и более сильных магнитных полях, чеч например, станнид ниобия. Последний применяется при создании "сверхпроводящих" магнитов, используемых в физических и энергетических установках, например, при строительстве ускорителей, коллайдеров и токомаков. Повышение температуры применяемых сверхпровсдников могло бы существенно упростить и удешевить изготовление магнитов.
При обычных условиях магний плавится при температуре 650°С и кипит при 1100°С, тогда как барий плавится только при температуре свыше 200СРС. Возможно несопоставимость условий нормального состояния явилась причиной "позднего" открытия и трудности получения диборида магния. Вероятно, у природы имеются и другие пока не открытые аналогичнью пары.
Слабые магнитные поля не влияют на сверхпроводимость. Как показал Абрикосов, магнитные поля средней напряженности проникают внутрь сверхпроводника, образуя вихревые трубки магнитного потока. Однако в целом материал продолжает оставаться сверхпроводящим, пока с ростом напряжённости приложенного магнитного поля объем, занятый вихрями не увеличивается настолько, что они перекрываются, и материал перестает быть сверхпроводящим. Напряженность магнитного поля, при которой пропадает сверхпроводимость, называется верхней критической напряжённостью. Это вторая ключевая характеристика сверхпроводника. У легированного (титаном, углеродом, кремнием) диборида магния она достаточно высока даже при температуре порядка 30°К.
В 2006 г. японским учёным Хцдео Хосано из Токийского технологического института было сделано новое открытие в области сверхпроводимости: обнаружение сверхпроводимости у пинктидов железа. Пинктиды железа имеют в своём составе лантан, кислород железо и фосфор, и, как и купраты, имеют слоистое строение. Слои оксида железа чередуются со слоями арсенида железа. Повидимо-му слоистость играет не последнюю роль в создании сверхпроводимости. Легирование фтором переводит их в сверхпроводящее состояние, причем как и купратов, сверхпроводимость наступает только при определённой степени легирования. При малом или большом легировании сверхпроводимость исчезает. Критические температуры пока изученных пинктидов составляют величины не свыше 56°К, но исследования интенсивно ведутся. Ещё одной интересной особенностью пинктидов является, несмотря на наличие атомов железа, антиферромагнетизм при определённых температурах, то есть противоположная направленность магнитных моментов соседних атомов. Уже в 2009 г. установлено, что один из пинктидов (ар-сенид стронция и железа) обладает сверхпроводимостью в среде водяного пара и без всякого легирования.
Интересные сведения приходят также из нанотехнологий Так, например, шаровидные углеродные молекулы С60 (бакиболы или фулперены) при легировании их щелочными металлами (калием, рубидием, цезием) образуют сверхпровод ники. Однако пока длинных
Т-Сотт, #8-2010
11
цепочек из фуллереное получить не удается. Очевидно, они получат применение как элементы различных устройств.
Некоторые пленочные метаматериалы, обладающие удивительными свойствами в отношении коэффициента преломления, который может бьль отрицательным, могут обладать также и сверхпроводимостью. В этой области исследования интенсивно ведутся в основном с целью создания относительной невидимости объектов в определенных спектрах частот, но одновременно появляются и сведения об их сверхпроводимости.
Пока в облости высокотемпературной сверхпроводимости больше вопросов и надежд чем ответов. Исследования интенсивно ведутся. И если теплая сверхпроводимость будет достигнута и будет достаточно технологична, это будет означать новую техническую революцию главным образом в энергетике и на транспорте. На транспорте это будет не только снижение потерь, но также появление принципиально новых видов движущихся устройств. Революция в связи будет не столь значительна, поскольку современные системы связи представляют совокупность линий связи вместе с аппаратурой обработки сигналов — устройств вьделения, коммутации, мультиплексирования и демультиплексирования, модуляции и демсдуля-
ции, маршрутизации и тд Современная связь связана с передачей сигналов очень высокой частоты — до десятков (Тц а при таких частотах сверхпроводимость материалов ухудшается и доже исчезает. Конечно, провсдные системы претерпят сильные изменения, но оптические системы, в особенности солитонные, будут, вероятно, успешно конкурировать со сверхпроводящие линиями.
Литература
1. Проблема высокотемпературной сверхпровод имости Под редакц1-ей В. Гинзбурга и Д Киржница Москва, 1977.
2 Грешнее НИ., Соколов СА Кабели связи на основе тёплой сверхпроводимости. Учебное пособие МИС Москва 1989.28 с.
3. Mognewum Diboride: Better Late than Never. Paul C.Canfield and George WGabfree. Physics Today, \fcl56, March 2003, №3, p. 34^0.
4. Superconductiviy in MgB2. Electrons, Phonons and Vortices. Wal Kwok, George WCrabtree, Sergey L. Bud'ko and Paul C.Canfield. Physica C. \fol.385. №1-2, March 2003.
5. The Pincfide Code. Jan Zoanen. Condensed Maler Physics. Nature. V0457, January 29,2009, p 546-547.
12
T-Comm, #8-2010
