Надпровідність: історія розвитку, сучасний стан, перспективи

Cверхпроводнікі: історія розвитку, сучасний

стан і перспективи

Відкриття в Наприкінці 1986 року нового класу високотемпературних надпровідних матеріалів радикально розширює можливості практичного використання надпровідності для створення нової техніки і надасть революціонізувала, на ефективність галузей народного господарства.

Явище, яке полягає в повному зникнення електричного опору провідника при його охолодженні нижче критичної температури, було відкрито нідерландським фізиком Х.Камерлінг-Оннесом в 1911 році, а задовільне пояснення, зазначене іменами американських фізиків Л.Купера, Дж.Бардіна, Дж.Шріффера, радянського математика і фізика М.М.Боголюбова, отримало практичне використання цього явища в середині шістдесятих років, після того як були розроблені надпровідні матеріали, придатні для технічних застосувань - наст Тільки важка була проблема.

Надпровідність виявлена ​​більш ніж у 20 металів і великої кількості з'єднань і сплавів (Тк £ 23К), а також у керамік (Тк> 77,4К - високотемпературні надпровідники.) Синтезом все нових і нових матеріалів вже вдалося підняти надпровідність до 160 К (майже - 100 ° C.В складі всіх цих високотемпературних надпровідників ВТСП обов'язково присутні іони міді Сu²ª (роль їх у виникненні надпровідності поки не ясна), які служать як би мікроскопічними магнітамі.Сверхпроводімость матеріалів з Тк £ 23К пояснюється наявністю в ве ществить пар електронів, що володіють енергією Фермі, з протилежними спинами і імпульсами (пари Купера), які утворюються завдяки взаємодії електронів з коливаннями іонів решітки - фононами. Всі пари знаходяться, з точки зору квантової механіки, в одному стані (вони не підкоряються статистиці Фермі т .до. мають цілочисельний спін) і узгоджені між собою за всіма фізичними параметрами, тобто утворюють єдиний надпровідний конденсат.

Надпровідність керамік, можливо, пояснюється взаємодією електронів з будь-якими іншими квазічастіцамі.У надпровідності три ворога: високі температури, потужні магнітні поля і великі токі.Еслі їх величини більші за граничні значення, звані критичними, надпровідність зникає, надпровідник стає звичайним проводніком.По взаємодії з магнітним полем надпровідники діляться на дві основні групи: надпровідники I і II роду.

Надпровідники першого роду при приміщенні їх в магнітне поле «виштовхують» останнім так, що індукція всередині надпровідників дорівнює нулю (ефект Мейсснера) .Напряжонность магнітного поля, при якому руйнується надпровідність і поле проникає всередину провідника, називається критичним магнітним полем Нк.У надпровідників другого роду існує проміжок напруженості магнітного поля НК2> Н> Нк1, де індукція усередині надпровідника менше індукції провідника в нормальному состояніі.Нк1 - нижнє критичне поле, НК2 - верхнє до рітіческое поле. Н <�Нк1 - індукція в надпровіднику другого роду дорівнює нулю, Н> НК2 - надпровідність нарушается.Через ідеальні надпровідники другого роду можна пропускати струм силою: (Критичний струм) .пояснює це тим, що поле, створюване струмом, перевищить Нк1, вихрові нитки, що зароджуються на поверхні зразка, під дією сил Лоренца, рухаються всередину зразка з виділенням тепла, що призводить до втрати надпровідності.

Tk, Нк1, НК2, деяких металів і з'єднань:

Надпровідність досі привертає до себе пильну увагу з боку фізиків-теоретіков.Ввіду складності явища розробляються як можна більш прості моделі, з яких були б гранично ясні його основні риси. Одне з спрощень пов'язане з поняттям размерності.Інтуітівно ясно, що двомірну, плоску кристалічні структуру досліджувати, взагалі кажучи, легше, ніж трёхменую, просторову; одновимірну, лінейную- простіше, ніж двомірну. Ось чому, міркуючи про надпровідності, теоретики часто звертаються до моделі так званого одновимірного кристала. Його частинки взаємодіють один з одним лише в одному якомусь напрямку, а в двох інших, поперечних напрямках взаємодія між частинками нехтує малі.

В рамках такої моделі американський фізик У.Літлл в 1964 році висунув сміливе припущення: можливі надпровідники не металевою, а органічної природи. Важливе місце в своїх міркуваннях Літлл відводив полімерним молекулам, в основному ланцюзі яких є що чергуються поодинокі і кратні зв'язку (хіміки називають такі зв'язки сполученими). Справа в тому, що кожна хімічна зв'язок, що з'єднує атоми, - це пара належних їм обом електронів. У ланцюжку сполучених зв'язків ступінь обобщестленія електронів ще вище: кожен з них в рівній мірі належить усім атомам ланцюжка і може вільно переміщатися уздовж неї. Цю особливість сполучених зв'язків в основному ланцюзі полімерної молекупи Літлл вважав важливою передумовою для переходу в надпровідний стан. Необхідної для переходу він вважав і особливу структуру відгалужень від основного ланцюга. Склавши проект свого полімеру, учений зробив висновок: речовина з такими молекулами зобов'язана бути надпровідним; більш того - в цей стан воно повинно переходити при не дуже низькій температурі, можливо, близькою до кімнатної.

Провідники, вільні від будь-яких енергетичних втрат при абсолютно звичайних умовах, звичайно ж, зробили б революцію в електротехніке.Ідея американського фізика була підхоплена в багатьох лабораторіях різних країн.

Однак досить швидко з'ясувалося, що придуманий Літлл приклад жодним чином перейти в надпровідний стан не здатний. Але ентузіазм народжений сміливою ідей, дав свої плоди, нехай і не там, де вони передбачалися на перших порах. Надпровідність була таки виявлена ​​за межами світу металів. У 1980 році в Данії група дослідників під керівництвом К. Бекгарда, експериментуючи з органічною речовиною з класу іон-радикальних солей, перевела його в надпровідний стан при тиску 10 кілобар і температурі на 0,9 градуса вище абсолютного нуля. У 1983 році колектив радянських фізиків, очолюваний доктором фізико-математичних наук І.Ф. Щегольовим, домігся від речовини того ж класу переходу в надпровідний стан вже при 7 градусах абсолютної шкали температур і при нормальному давленіі.В ході всіх цих пошуків і проб увагою дослідників був обійдений і карбін. (Карбин - органічна речовина, вкрай рідко зустрічається в природі . Структура якого - нескінченні лінійні ланцюжка з атомів углерода.Свою структуру зберігає при нагріванні до 2000 ° с, а потім, починаючи приблизно з 2300 ° с, вона перебудовується за типом кристалічної решітки графіта.Плотность карбін склад ляє 1,9-2,2 г / см ³.

(... = С = С = С = С = С = С = С = С = С = С = С = ...))

У зв'язку з тим, що критичні температури цих матеріалів не перевищували 20 К, все створені надпровідникові пристрої експлуатувалися при температурах рідкого гелію, тобто при 4-5 К. Незважаючи на дефіцитність цього хладоагента, високі енерговитрати на його зрідження, складність і високу вартість систем теплоізоляції з цілої низки напрямків почалося практичне використання надпровідності. Найбільш великомасштабними застосуваннями надпровідників з'явилися електромагніти прискорювачів заряджених частинок, термоядерних установок, МГД-генераторів. Були створені дослідні зразки надпровідникових електрогенераторів, ліній електропередачі, накопичувачів енергії, магнітних сепараторів та ін. В останні роки в різних капіталістичних країнах почалося масове виробництво діагностичних медичних ЯМР-томографів з сверхпроводниковая магнітами, потенційний ринок яких оцінюється в кілька мільярдів. Доларів.

Відкриття високотемпературних надпровідників, критична температура яких з запасом перевищує температуру кипіння рідкого азоту, принципово змінює економічні показники надпровідникових пристроїв, оскільки вартість хладоагента і витрати на підтримання необхідної температури знижуються в 50-100 разів. Крім того, відкриття високотемпературної надпровідності (ВТНП) зняло теоретичний заборона на подальше підвищення критичної температури з 30 - аж до кімнатної. Так, з часу відкриття цього явища критична температура підвищена з 30 - 130 К.

Ефект Джозефсона.

Якщо два надпровідника з'єднати один з одним «слабким» контактом, наприклад найтоншої смужкою з діелектрика, через нього піде тунельний надпровідний струм, тобто відбудеться тунелювання надпровідних куперовских пар. Завдяки цьому обидві системи надпровідників пов'язані між собою. Зв'язок цей дуже слабка, тому що мала ймовірність тунелювання пар навіть через дуже тонкий шар ізолятора.

Наявність зв'язку призводить до того, що в слідстві процесу обміну парами стан обох систем змінюється в часі. При цьому інтенсивність і напрямок обміну визначається різницею фаз хвильових функцій між системами. Якщо різниця фаз j = j ₁ - j _2, тоді з квантової механіки слід . Енергії в точках по одну і іншу сторону бар'єру _Е1 і _Е2 можуть відрізнятися тільки якщо між цими точками існує різниця потенціалів U _s. В цьому випадку (1)

Якщо надпровідники пов'язані між собою з одного боку і розділені слабким контактом з іншого, то напруга на контакті можна викликати, змінюючи магнітний потік усередині утворився контуру. При цьому . З огляду на, що квант потоку і потік Ф через контур може бути лише nф _0, де n = 0, ± 1, ± 2, ± 3, ... Джозефсон передбачив, що (2)

де:

I _s - струм через контакт

I _c - максимальний постійний джозефсонівських струм через контакт

j - різниця фаз.

З (1), (2) слід .

Оскільки на фазовий співвідношення між системами влеяет магнітне поле, то надпровідним струмом контура можна управляти магнітним полем. У більшості випадків використовується не один джозефсонівських контакт, а контур з декількох контактів, включених паралельно, так званий надпровідний квантовий інтерферометр Джозефсона (СКВІД). Величина магнітного поля, необхідного для управління струмом, залежить від площі контура і може бути дуже мала. Тому СКВІДи застосовують там, де потрібна велика чутливість.

ПЕРСПЕКТИВИ ВТСП.

Ймовірно тютчевские слова "Нам не треба передбачити, як слово наше відгукнеться" для науки справедливі навіть більш, ніж для життєвих ситуацій. Тільки час дасть змогу судити про те, чи зробить наукове відкриття життя людей лучше.Кроме того професіонал в галузі фундаментальних досліджень може, як правило, претендувати тільки на статус любителя за частиною їх практичного застосування. Проте можливо вказати на деякі перспективи:

-коли розглядався як ВТСП карбін то мрії про його високотемпературної надпровідності можна було вважати безпідставними: вже дуже схожий карбин за своєю структурою з тим полімером, який пропонував Літлл і який був відкинутий як експериментаторами, так і теоретікамі.Зная це, хотілося б нагадати, що в науці часом складалися ситуації, образно описуються древнім висловом: «Камінь, що відкинули будівничі, - той наріжним став каменем».

Створення конкретних технічних виробів на основі ВТСП матеріалів найбільш реально найближчим часом саме в слаботочной техніці, тобто в мікроелектроніці та обчислювальної техніки.

В рамках програми передбачається розробка і освоєння серійного виробництва трьох класів електронних надпровідникових приладів:

- СКВІДи (прилади на основі джозефсонівських переходів) як детектори слабких магнітних полів для застосування в медицині (магнітоенцефалографія), геології та геофізики (пошук корисних копалин, вивчення геологічної будови земної кори, прогноз землетрусів), матеріалознавстві (неруйнівний контроль матеріалів, конструкцій), військової техніці (виявлення магнітних аномалій, зокрема, глибинних підводних човнів), наукових дослідженнях, зв'язку та навігації.

Широке освоєння та впровадження СКВІД магнітометричного методу вимірювань дозволить в короткий термін якісно змінити багато видів вимірювальної техніки, підвищити в сотні і більше разів чутливість приладів і точність вимірювань, підвести вимірювальні можливості широкої номенклатури датчиків до теоретичної межі, вивести вимірювальну техніку на вищий якісно новий рівень.

- Аналого-цифрові прилади (АЦП), що використовують надшвидкі (частки пікосекунди) перемикання від джозефсонівських до "гіверовскому" режиму роботи, для застосувань в новітніх системах зв'язку, цифрових обчислювальних пристроях для обробки і аналізу аналогових сигналів і ін.

- Прилади, засновані на ефекті появи на джозефсонівських перехід постійної напруги при подачі на нього СВЧ сигналу, для використання в прецизійних вимірювальних системах (наприклад, еталон Вольта).

Широке застосування ВТНП знайде в обчислювальній техніці. Уже в даний час розроблені, виготовлені і випробувані макети комірки пам'яті, надчутливий елемент зчитування на ВТСП плівках з кратним зниженням енерговиділення в порівнянні з напівпровідниковими підсилювачами зчитування, надшвидкісні лінії зв'язку, які дозволять збільшити продуктивність систем в 10 - 100 разів. Впровадження ВТСП в обчислювальну техніку дасть кратне збільшення її швидкодії і ступеня інтеграції. Так, перехід на ВТСП з'єднання і зниження робочої температури напівпровідникових суперЕОМ дозволить підвищити їх продуктивність з 10х9 до 10х12 операцій / сек.

Однією з перспективних галузей застосування ВТСП буде космічна техніка - бортові і "забортовие" вимірювальна апаратура і обчислювальні системи (можлива робота без спеціальних пристроїв охолодження, так як "тіньова" температура у супутників - 90 К). При цьому при переході на ВТСП питома маса охолоджуючої системи знизиться в 50 разів, обсяг зменшиться в 1000 разів, надійність зросте в 10 разів.

Широкі перспективи використання ВТСП відкриваються в СВЧ-техніці і в створенні датчиків видимого та ІЧ діапазону з високою чутливістю.

Список літератури:

Г.Н. Кадикова «Сверхпроводящие матеріали» М. МІЕМ 1990

журнали:

"Наука і життя": №2,1985г .; №9,1994г .; №5,1996г .; №9,1996г .; №8,1997г ..

-------------------------------------------------- --------------------------------------------

КДУ ім. Шевченка

радіофізичний факультет

Реферат по предмету

"Історія фізичних наук"

Викладач Коваленко В. Ф.

Студент 3-го курсу, спеціальність АНД

Цяпа С.М.

-------------------------------------------------- --------------------------------------------