Сверхпроводимость интересные факты: Сверхпроводимость

Сверхпроводимость

 Сверхпроводимость — вещь странная и, в некоторой мере, даже противоречащая здравому смыслу. Когда электрический ток течет по обычному проводу, то, в результате наличия у провода электрического сопротивления, ток совершает некую работу, направленную на преодоление этого сопротивления со стороны атомов, в результате чего выделяется тепло. При этом каждое соударение электрона — носителя тока — с атомом тормозит электрон, а сам атом-тормоз при этом разогревается — вот почему спираль электрической плитки становится такой красной и горячей. Всё дело в том, что спираль обладает электрическим сопротивлением, и, вследствие этого, при протекании по ней электрического тока, выделяет тепловую энергию (см. Закон Ома).

В 1911 году нидерландский физик-экспериментатор Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes, 1853–1926) сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля (который, напомним, составляет –273°С по шкале Цельсия или –460°F по шкале Фаренгейта), он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. Почему такое происходит, он, собственно, не мог даже и догадываться, но факт оказался налицо. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость. 

 Но почему всё так происходит? Это оставалось тайной вплоть до 1957 года, когда еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин (John Bardeen, 1908–1991), Леон Купер (Leon Cooper, р. 1930) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer, р. 1931) придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков.

А суть ее заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в силу их низкого теплового движения, и их можно считать фактически стационарными. Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание» (см. Химические связи), мы имеем, что имеем: ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно «плавающие» между ними.

 

И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны — волей или неволей — движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они вяло взаимодействуют с ядрами (и между собой), но тут же «убегают». Однако, в то самое время, пока электроны «проскакивают» между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя.

В результате, после того как между двумя ядрами «проскочил» электрон, они на недолгое время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но дело сделано — возник положительный потенциал, и к нему притягиваются всё новые отрицательно заряженные электроны. Тут самое важное — понять: благодаря тому, что один электрон «проскакивает» между атомами, он, тем самым, создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно-кристаллической структуры парами — по-другому они просто не могут, поскольку это им энергетически не выгодно. Чтобы лучше понять этот эффект можно привлечь аналогию из мира спорта. Велосипедисты на треке нередко используют тактику «драфтинга» (а именно, «висят на хвосте» у соперника) и, тем самым, снижают сопротивление воздуха. То же самое делают и электроны, образуя куперовские пары.

 

Тут важно понять, что при сверхнизких температурах все электроны образуют куперовские пары. Теперь представьте себе, что каждая такая пара представляет собой связку наподобие вермишели, на каждом конце которой находится заряд-электрон. Теперь представьте себе, что перед вами целая миска подобной «вермишели»: она вся состоит из переплетенных между собой куперовских пар. Иными словами, электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся их энергия. Соответственно, у электронов просто не остается энергии на взаимодействие с ядрами атомов кристаллической решетки. В итоге доходит до того, что электроны замедляются настолько, что им больше нечего терять (энергетически), а окружающие их ядра «остывают» настолько, что они более не способны «тормозить» свободные электроны. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю. За открытие и объяснение эффекта сверхпроводимости Бардин, Купер и Шриффер в 1972 году получили Нобелевскую премию.

 

С тех пор прошло немало лет, и сверхпроводимость из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник многомиллиардных доходов предприятий электронной индустрии. А дело всё в том, что любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле (см. Закон электромагнитной индукции Фарадея). Поскольку сверхпроводники долгое время проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах, они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. И, если вы когда-нибудь подвергались медико-диагностической процедуре, которая называется электронная томография и проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), то вы, сами того, возможно, не подозревая, находились в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

Современные сверхпроводники сохраняют свои уникальные свойства при нагревании вплоть до температур порядка 20K (двадцать градусов выше абсолютного нуля). Долгое время это считалось температурным пределом сверхпроводимости. Однако в 1986 году сотрудники швейцарской лаборатории компьютерной фирмы IBM Георг Беднорц (Georg Bednorz, р. 1950) и Александр Мюллер (Alexander M?ller, р. 1927) открыли сплав, сверхпроводящие свойства которого сохраняются и при 30K. Сегодня же науке известны материалы, остающиеся сверхпроводниками даже при 160К (то есть чуть ниже –100°C). При этом общепринятой теории, которая объясняла бы этот класс высокотемпературной сверхпроводимости, до сих пор не создано, но совершенно ясно, что в рамках теории БКШ ее объяснить невозможно. Практического применения высокотемпературные сверхпроводники на сегодняшний день не находят по причине их крайней дороговизны и хрупкости, однако разработки в этом направлении продолжаются.

 

Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово. Технологические процессы изготовления исключительно тонких ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобий-олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология.

Развитие сверхпроводниковой техники связано также с созданием ожижителей и рефрижераторов с все большей хладопроизводительностью на уровне температур жидкого гелия. Эволюция температуры сверхпроводящего перехода привела к возможности использования хладагентов с все более высокой температурой кипения (жидкий гелий, водород, неон, азот).

Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. Уже в 80-х гг. прошлого века в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля.

Сверхпроводящие катушки используются также для пузырьковых водородных камер, для крупных ускорителей элементарных частиц. Изготовление таких катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает необходимость точного соблюдения заданных размеров.

В последние годы явление сверхпроводимости все более широко используется при разработке турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др. Следует также отметить такое направление в работах по сверхпроводимости как создание устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т. д.

 

В настоящий момент имеются два главных направления в области применения сверхпроводимости: прежде всего – в магнитных системах различного назначения и затем – в электрических машинах (в первую очередь, в турбогенераторах).

Ученые из Сколтеха продемонстрировали высокотемпературную сверхпроводимость для гидридов актиния и обнаружили общий принцип, по которому можно вычислить их сверхпроводимость, используя лишь таблицу Менделеева.

Группа химиков под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова обнаружила закономерность в распределении в таблице Менделеева элементов, способных к образованию сверхпроводимых соединений. Оказалось, что высокотемпературная сверхпроводимость возникает у веществ, в состав которых входят атомы металлов, которые близки к заселению новой электронной подоболочки. В этом случае атом в кристалле очень чувствителен к положению окружающих атомов, а это создает сильное электрон-фононное взаимодействие — тот самый эффект, который лежит в основе традиционной сверхпроводимости. Основываясь на такой гипотезе, ученые предположили высокотемпературную сверхпроводимость для гидридов актиния. Проверка подтвердила гипотезу: для Ach26 сверхпроводимость предсказана при температурах вплоть до минус 69-22 оС при давлении в 1,5 миллиона атмосфер.  

«Сама идея связи сверхпроводимости с таблицей Менделеева принадлежит студенту моей сколтеховской лаборатории — Дмитрию Семенку. Найденный им принцип настолько простой, что удивительно, как никто не заметил его раньше», — рассказывает Артем Оганов.

Горячая сверхпроводимость

Алексей Левин
«Популярная механика» №4, 2012

В 1980-х годах были открыты необычные материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах выше 90 К. Это подстегнуло интерес к сверхпроводимости и поставило вопрос о ее практическом применении.

В статье о сверхпроводимости («Без всякогосопротивления», «ПМ» №8, 2011) было отмечено, что среди чистых металлов самая высокая критическая температура наблюдается у ниобия — 9,25 К. В 1973 году сотрудник исследовательских лабораторий фирмы Westinghouse Джон Гавалер выяснил, что тонкие пленки соединения ниобия с германием GeNb3 становятся сверхпроводниками при 23,2 К. В течение последующих 13 лет этот рекорд так и не был перекрыт. Все прочие интерметаллические структуры с участием ниобия требуют для перехода в сверхпроводящее состояние большего охлаждения. Однако тогда же, в 1973 году, имело место еще одно событие, сулившее, как сейчас понятно, весьма интересные возможности. Дэвид Джонстон из Калифорнийского университета в Сан-Диего заметил, что титанат лития, оксид лития и титана, становится сверхпроводником при весьма почтенной критической температуре 13,7 К. Спустя два года сотрудник компании DuPont Артур Слейт обнаружил этот переход при чуть более высокой температуре у оксида бария, висмута и свинца. На этом дело и застопорилось, поскольку никто не ожидал, что перспективные сверхпроводящие материалы можно создавать на основе окислов металлов.

Цюрихская сенсация

А потом, как часто бывает, вмешался счастливый случай. В 1981 году Клод Мишель и его коллеги по Канскому университету в Нормандии показали, что синтезированное ими соединение лантана, бария, меди и кислорода с кристаллической структурой перовскита при температурах от 300 до –100°С демонстрирует электропроводность металлического типа. Французские физики не попытались охладить его посильнее, поскольку интересовались лишь применением этого вещества для нужд высокотемпературного химического катализа. В конце 1985 года их статью заметили сотрудники цюрихского исследовательского центра корпорации IBM Иоганнес Георг Беднорц и Карл Алекс Мюллер, уже пару лет искавшие сверхпроводники на основе металлических оксидов, в том числе и перовскитов. Они синтезировали различные версии этого же вещества, различающиеся относительными концентрациями бария и лантана, в надежде «оттянуть» у ионов меди дополнительные электроны, чтобы увеличить плотность мобильных носителей заряда. Расчет был на то, что у полученных кристаллов при очень низких температурах проявятся нестандартные электрические свойства и, быть может, даже сверхпроводимость.

И природа вознаградила ученых за смелость. В январе 1986 года Беднорц и Мюллер уже имели сверхпроводники с критической температурой порядка 35 К. Около трех месяцев они держали открытие в секрете, многократно повторяя контрольные эксперименты. Более того, уже отослав в ежемесячник Zeitschrift für Physik статью с непритязательным заголовком «Возможная высотемпературная сверхпроводимость в системе Ba–La–Cu–O», вплоть до ее выхода в свет они нигде не докладывали о своих сенсационных результатах и даже не делились ими с сотрудниками прочих исследовательских центров IBM. Причина была вполне банальной — опасение, что кто-нибудь продублирует их опыты и опередит первооткрывателей с публикацией результатов. Они и выбрали Zeitschrift für Physik, а не более престижные и читаемые Nature, Science или Physical Review Letters лишь потому, что редактор этого журнала согласился срочно напечатать статью без предварительного рецензирования. Пятистраничная работа появилась в сентябрьском номере и через год принесла своим авторам Нобелевскую премию по физике.

Незаметная публикация

Как ни странно, поначалу сообщение Беднорца и Мюллера мало кто заметил. Специалисты по сверхпроводимости редко читали Zeitschrift für Physik, да и у всего физического сообщества он давно не пользовался таким престижем, как в начале ХХ века, когда там печатались Эйнштейн, Шрёдингер, Гейзенберг, Паули, Борн и другие титаны. Однако в начале ноября статья попалась на глаза профессору Хьюстонского университета Полу Чу, ученику знаменитого создателя сверхпроводящих материалов Бернда Маттиаса. Группа Чу не только в рекордный срок повторила эксперименты цюрихских коллег, но и на 10 градусов повысила критическую температуру соединения, сжав его под высоким давлением.

Хьюстонские физики еще не знали, что у них имелись конкуренты. Той же осенью 1986 года Коичи Китазава из Токийского университета доказал, что цюрихский сверхпроводник образован слоями ионов меди, каждый из которых находится в центре сильно деформированного октаэдра из шести атомов кислорода. В пространстве между этими слоями располагаются атомы лантана и бария, которые тоже формируют упорядоченную решетку. Эта кристаллическая структура с химической формулой La1,8Ba0,2CuO4 относится к разряду так называемых слоистых псевдоперовскитов. 4 декабря Чу и Китазава доложили свои результаты в Бостоне на ежегодной конференции Общества материаловедческих исследований. Эти доклады дали старт настоящей гонке за высокотемпературными сверхпроводниками.

Физический детектив

Пол Чу предполагал, что сжатие увеличивает критическую температуру благодаря уменьшению дистанции между кислородными октаэдрами. Вернувшись из Бостона, он решил проверить эту идею и синтезировал структурно сходное соединение, в котором барий заменен химически близким, но более легким стронцием. Гипотеза оправдалась: новое вещество без всякого сжатия превращалось в сверхпроводник при 39 К (этот же результат был независимо получен и в Цюрихе). Тогда хьюстонские физики, к которым присоединились коллеги из Алабамского университета, решили поиграть с химическими аналогами лантана, в частности с иттрием. К концу января 1987 года они синтезировали соединение иттрия, бария, меди и кислорода с критической температурой 93 К. Это был первый материал, теряющий электрическое сопротивление при температуре, превышающей точку кипения жидкого азота (77 К).

А затем случилась почти детективная история. Чу, подобно Беднорцу и Мюллеру, опасался, что в процессе анонимного рецензирования кто-то воспроизведет его результаты и обнародует их первым под своим именем. Материал было не трудно синтезировать спеканием исходных компонентов в электропечи, если знать их концентрацию, а эту информацию необходимо было включить в статью. Чу попросил редактора Physical Review Letters в виде исключения подписать ее в печать без представления рецензентам, но получил отказ. Тогда он пошел на хитрость: в отправленной в редакцию рукописи заменил иттрий (химический символ Y) на иттербий (Yb), а также слегка подправил весовые соотношения ингредиентов. Корректируя уже принятую к публикации статью, Чу исправил эти «опечатки», и она появилась уже без ошибок.

Как вскоре выяснилось, предосторожность оказалась не лишней. Почти сразу после публикации работы Чу и его коллег несколько научных коллективов сообщили об экспериментах с соединениями иттербия, которые тоже становятся сверхпроводниками, хотя и при более низкой температуре. Судя по всему, имела место та самая утечка информации, которой опасался руководитель авторского коллектива, но виновники ее остались неизвестными. Когда эта история получила огласку, Чу обвиняли в сознательной дезинформации и нарушении научной этики, пусть даже с благими намерениями. Но постепенно эмоции улеглись, и большинство ученых согласились, что Чу поступил правильно.

Структуру нового сверхпроводника выяснили довольно скоро, причем сразу в нескольких лабораториях. Эти данные впервые были доложены 18 марта 1987 года на конференции Американского физического общества, состоявшейся в нью-йоркском отеле «Хилтон». Ввиду огромного количества докладов и страшного возбуждения почти 4000 участников эта встреча сохранилась в научном фольклоре как «физический Вудсток», Woodstock of physics (по ассоциации с легендарным фестивалем в штате Нью-Йорк, куда в августе 1969 года съехалось полмиллиона поклонников рок-музыки). После этого высокотемпературные сверхпроводники обрели всемирную известность, а в США и еще ряде стран также и щедрое финансирование.

После «Вудстока»

Каковы же результаты? С одной стороны — впечатляющие. Создано множество сверхпроводников, содержащих весьма интересные добавки к базисным медно-кислородным планарным структурам (их еще называют сверхпроводниками из семейства оксидных купратов, или просто купратов, поскольку все они содержат анионы меди, по латыни cuprum). Так, в 1988 году группа Пола Гранта из исследовательского центра IBM в Альмадене сообщила о сверхпроводнике CaBaCuO с критической температурой 125 К. Пятью годами позже выяснилось, что синтетическое соединение HgBa2Ca2Cu3Ox (где x несколько больше 8), созданное научной группой под руководством Евгения Антипова из МГУ, переходит в сверхпроводящее состояние при 135 К, а при сильном всестороннем сжатии — почти при 160 К. До сих пор это вещество держит рекорд по максимальной критической температуре при нормальном давлении.

В нашем столетии список высокотемпературных сверхпроводников качественно расширился. В марте 2001 года японские физики удивили коллег сообщением, что давно известное простое интерметаллическое соединение диборид магния MgB2 становится сверхпроводником при 39 К. А через пять лет из Страны восходящего солнца пришла еще более интересная информация. Сотрудники Токийского технологического института во главе с Хидео Хосоно впервые обнаружили сверхпроводимость при нормальном давлении у вещества, содержащего железо. Критическая температура соединения LaOFeP была мизерной, всего около 5 К, однако открытие было неожиданным, поскольку чистое железо переходит в сверхпроводящее состояние лишь под высоким давлением вблизи абсолютного нуля. Вскоре обнаружилось еще несколько сверхпроводников с участием железа и мышьяка — партнера фосфора по пятой группе Периодической системы Менделеева. В последние годы список железосодержащих сверхпроводников расширился за счет веществ с совершенно неожиданным составом, причем некоторые из них вообще не содержат кислорода — в частности, соединения железа и селена, легированные калием, цезием или таллием (их критические температуры могут превышать 30 К).

Неясные причины

Еще лет десять назад у физиков не имелось более или менее общепринятых объяснений высокотемпературной сверхпроводимости. Было понятно, что и в новых материалах каким-то образом образуются куперовские электронные пары, которые дрейфуют во внешнем электрическом поле, не рассеиваясь на ионах кристаллической решетки. Из-за их рождения в спектре состояний электронов проводимости возникает пустая зона, так называемая энергетическая щель, чья ширина равна половинной энергии связи пары (иначе говоря, энергии связи в расчете на один электрон). Чем шире эта щель, тем выше критическая температура. Но для спаривания между электронами должно возникать эффективное притяжение, причины которого никак не удавалось найти. Напомним, что «нормальные» сверхпроводники хорошо описываются теорией БКШ, в которой притяжение возникает за счет поляризации кристаллической решетки, создающей зоны локального избытка плотности положительного заряда (или, на квантовом языке, за счет электрон-фононного взаимодействия). Однако тогда считалось, что у обычных металлов и их сплавов это взаимодействие не может быть слишком сильным, из-за чего куперовские пары разрушаются тепловыми колебаниями решетки при температурах не выше 30 К. Вплоть до открытия Беднорца и Мюллера все экспериментальные данные подтверждали этот вывод.

Правда, физики допускали, что у многокомпонентных соединений со специальной кристаллической структурой электрон-фононное взаимодействие может быть сильнее, а критические температуры — выше. Одно время теоретики надеялись, что эта гипотеза откроет путь к пониманию сверхпроводимости псевдоперовскитов. Однако у этих материалов не наблюдается или почти не наблюдается изотопический эффект (зависимость критической температуры от массы атомов решетки), который непременно должен проявиться при электрон-фононном механизме возникновения куперовских пар. Это обстоятельство указывает, что электроны высокотемпературных сверхпроводников, скорее всего, притягиваются каким-то иным образом.

Нестандартная сверхпроводимость

Сейчас природа «нестандартной» сверхпроводимости постепенно проясняется. «Загадка диборида магния разрешилась довольно просто, — рассказал «ПМ» профессор Висконсинского университета Андрей Чубуков, который много лет занимается теорией высокотемпературной сверхпроводимости. — Куперовские пары там образуются исключительно за счет электрон-фононного взаимодействия. В силу специфики кристаллической структуры и электронных спектров оно особо сильное, отсюда и повышенная критическая температура. Так что здесь мы видим торжество классической теории БКШ, которая, как оказалось, вовсе не ограничена потолком в 30 К. Диборид магния интересен и в других отношениях (так, у него не одна, а две энергетические щели), но по части механизма возникновения сверхпроводимости он ничего особенного собой не представляет. Его даже не следует относить к числу «настоящих» высокотемпературных сверхпроводников, поскольку у них пары возникают вовсе не за счет обмена фононами.

Другое дело купраты и железосодержащие сверхпроводники. Судя по всему, куперовские пары там образуются благодаря прямым взаимодействиям между электронами проводимости. Как это может быть, коль скоро электроны отталкиваются по закону Кулона? Дело в том, что если кулоновское взаимодействие экранируется, то на больших дистанциях оно начинает осциллировать. За счет таких осцилляций оно даже может в каких-то участках пространства временно поменять знак, то есть перейти от отталкивания к притяжению. Из-за этого электроны с определенными значениями орбитального момента обретают способность притягиваться друг к другу и объединяться в куперовские пары. В купратах так себя ведут электроны с орбитальным моментом, равным двум, — так называемые d-волны, а в железосодержащих (как и в обычных сверхпроводниках) — электроны с нулевым орбитальным моментом.

Но это еще не всё. Для возникновения сверхпроводимости нужно иметь такие электроны (сырье для куперовских пар) в достаточных количествах. Есть все основания считать, что их появлению способствуют спиновые флуктуации небольшой протяженности. Этот эффект работает лишь в определенном интервале концентрации примесей. Поэтому оксиды меди становятся сверхпроводниками только при легировании нужными добавками и в нужных количествах. В чистом виде, без примесей, это изоляторы».

10 фактов о сверхпроводимости, которые вы могли не знать

По

Дэйв Баурак

|

В 2011 году исполняется 100 лет со дня открытия сверхпроводимости, способности некоторых материалов проводить электричество с нулевыми потерями энергии при охлаждении до экстремально низких температур.

Это фундаментальное свойство некоторых материалов было открыто голландским ученым Хайке Камерлинг-Оннесом из Лейденского университета.

Около 16:00 8 апреля 1911 года он охладил ртуть до 4,19 градуса по Кельвину и обнаружил, что его приборы внезапно измерили нулевое удельное сопротивление. Два года спустя он получил за это достижение Нобелевскую премию по физике.

СВЯЗАННЫЕ : Магнетизм и тайна сверхпроводимости: Поиски того, почему сверхпроводники работают.

Вот 10 вещей, которые вы, возможно, не знали о сверхпроводимости:

  1. Оннес также первым создал жидкий гелий, что он и сделал 10 июля 19 года.08. Гелий становится жидким при температуре 4,2 К и является предпочтительным хладагентом для низкотемпературных сверхпроводников в таких современных приложениях, как ускорители частиц, сверхпроводящие магниты, магнитно-резонансная томография и ядерный магнитный резонанс.
  2. До того, как Оннес создал жидкий гелий, самая низкая температура, доступная исследователям, составляла 14 К для твердого водорода.
  3. Первоначально Оннес назвал свое открытие «сверхпроводимостью», но позже остановился на термине «сверхпроводимость», который мы используем сегодня.
  4. Первые эксперименты Оннеса по устойчивости к низким температурам были сосредоточены на золоте и платине. Позже он переключился на ртуть, потому что ее было легче получить в чистом виде. Научное мышление в то время считало, что чрезвычайно чистые металлы, скорее всего, продемонстрируют нулевое сопротивление при температурах жидкого гелия.
  5. Через год после открытия сверхпроводимости в чистой ртути Оннес экспериментировал со сплавом золота и ртути и обнаружил, что он тоже становится сверхпроводящим при температуре 4,2 К. были спасены…»
  6. Новаторский эксперимент Оннеса 8 апреля 1911 года также включал первое наблюдение сверхтекучего перехода жидкого гелия. Сверхтекучие жидкости ведут себя как жидкости без вязкости, бесконтрольно текут даже вверх и через стенки своих контейнеров.
  7. В 1986 году Георг Беднорц и Алекс К. Мюллер из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе открыли материал на основе лантана, который стал сверхпроводящим при температуре 35 К, тогда еще рекордно высокой температуре.
  8. В 1987 г. Пол Чу из Хьюстонского университета заменил иттрий в соединении Беднорца и Мюллера и получил иттрий-барий-оксид меди с температурой перехода 92 K. Этот материал вызвал огромное волнение в научном сообществе по двум причинам: он обещал однажды достичь сверхпроводимости при комнатной температуре, и это был первый материал, который мог стать сверхпроводником с охлаждением жидким азотом вместо жидкого гелия. По сравнению с гелием азота гораздо больше (он составляет почти четыре пятых атмосферы Земли), и его гораздо легче производить и обрабатывать. Ученые часто объясняли разницу словами: «Жидкий гелий стоит столько же, сколько скотч, а жидкий азот дешевле пива».
  9. Аргоннский физик Алексей Абрикосов получил Нобелевскую премию по физике 2003 года за свою работу по теории сверхпроводимости; он предсказал существование магнитных вихрей в сверхпроводниках.
  10. Пять Нобелевских премий по физике присуждены за исследования в области сверхпроводимости:
  • 1913 — Хайке Камерлинг-Оннес для вещества при низкой температуре.
  • 1972 г. — Джон Бардин, Леон Н. Купер и Дж. Роберт Шрайффер за теорию сверхпроводимости.
  • 1973 — Лео Эсаки, Ивар Гиавер и Брайан Д. Джозефсон за туннелирование в сверхпроводниках.
  • 1987 г. — Георг Беднорц и Алекс К. Мюллер за высокотемпературную сверхпроводимость.
  • 2003 г. — Алексей Абрикосов, Виталий Н. Гинзбург и Энтони Дж. Леггетт за новаторский вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей.

БОНУС: Аргоннская национальная лаборатория проводит ряд «первых» исследований в области фундаментальных и прикладных исследований сверхпроводников:

  • Строительство первого в мире сверхпроводящего линейного ускорителя для тяжелых ионов, Argonne Tandem-Linac Accelerator System.
  • Первые американцы, экструдировавшие высокотемпературный сверхпроводящий провод (25 марта 1987 г.)
  • Первый, кто сообщил о правильной структуре недавно открытого высокотемпературного сверхпроводника на основе оксида иттрия-бария-меди ( Applied Physics , 6 июня 1987 г.).
  • Первый, кто успешно провел электрический ток через провод из иттрий-барий-медного оксида: 125 ампер на квадратный сантиметр при 77 градусах Кельвина (3 сентября 1987 г. ).
  • Первый в мире двигатель на основе свойств высокотемпературных сверхпроводников (30, 19 декабря)87)

Родственные организации

DOE объясняет… сверхпроводимость | Департамент энергетики

Куб из магнитного материала парит над сверхпроводником. Поле магнита индуцирует токи в сверхпроводнике, которые создают равное и противоположное поле, точно уравновешивая гравитационную силу куба.

Изображение предоставлено Окриджской национальной лабораторией

При температурах, которые большинство людей считают «нормальными», все материалы обладают некоторым электрическим сопротивлением. Это означает, что они сопротивляются потоку электричества так же, как узкая труба сопротивляется потоку воды. Из-за сопротивления часть энергии теряется в виде тепла, когда электроны проходят через электронику в наших устройствах, таких как компьютеры или сотовые телефоны. Для большинства материалов это сопротивление сохраняется, даже если материал охлаждается до очень низких температур. Исключение составляют сверхпроводящие материалы. Сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов проводить электричество постоянного тока (DC) без потери энергии при охлаждении ниже критической температуры (обозначается как T c ). Эти материалы также излучают магнитные поля при переходе в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость — одно из самых интригующих квантовых явлений природы. Он был обнаружен более 100 лет назад в ртути, охлажденной до температуры жидкого гелия (около -452°F, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля). Раньше ученые могли объяснить, что происходит со сверхпроводимостью, но почему и как сверхпроводимость была загадкой почти 50 лет.

В 1957 году трое физиков из Иллинойского университета использовали квантовую механику для объяснения микроскопического механизма сверхпроводимости. Они предложили радикально новую теорию того, как отрицательно заряженные электроны, которые в норме отталкиваются друг от друга, образуют пары ниже T c . Эти спаренные электроны удерживаются вместе вибрациями на атомном уровне, известными как фононы, и в совокупности пары могут двигаться сквозь материал без сопротивления. За свое открытие эти ученые получили Нобелевскую премию по физике в 1972.

После открытия сверхпроводимости ртути это явление наблюдалось и в других материалах при очень низких температурах. Материалы включали несколько металлов и сплав ниобия и титана, из которых можно было легко сделать проволоку. Провода поставили перед исследователями сверхпроводников новую задачу. Отсутствие электрического сопротивления в сверхпроводящих проводах означает, что они могут поддерживать очень высокие электрические токи, но выше «критического тока» электронные пары распадаются, и сверхпроводимость разрушается. С технологической точки зрения провода открыли совершенно новые области применения сверхпроводников, в том числе намотанные катушки для создания мощных магнитов. В 19В 70-х годах ученые использовали сверхпроводящие магниты для создания сильных магнитных полей, необходимых для разработки аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ). Совсем недавно ученые представили сверхпроводящие магниты для направления электронных пучков в синхротронах и ускорителях в научных пользовательских учреждениях.

В 1986 году ученые открыли новый класс материалов на основе оксида меди, которые обладали сверхпроводимостью, но при гораздо более высоких температурах, чем металлы и сплавы металлов, появившиеся в начале века. Эти материалы известны как высокотемпературные сверхпроводники. Хотя их все еще необходимо охлаждать, они становятся сверхпроводящими при гораздо более высоких температурах — некоторые из них при температурах выше жидкого азота (-321°F). Это открытие сулило революционные новые технологии. Также предполагалось, что ученые смогут найти материалы, обладающие сверхпроводимостью при относительно высоких температурах.

С тех пор многие новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы были обнаружены с помощью обоснованных предположений в сочетании с экспериментами методом проб и ошибок, включая класс материалов на основе железа. Однако также стало ясно, что микроскопическая теория, описывающая сверхпроводимость в металлах и металлических сплавах, неприменима к большинству этих новых материалов, поэтому тайна сверхпроводимости снова бросает вызов научному сообществу.

Управление науки и сверхпроводимости Министерства энергетики США

Управление науки Министерства энергетики, Управление фундаментальных энергетических наук поддерживает исследования высокотемпературных сверхпроводящих материалов с момента их открытия. Исследование включает в себя теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разгадку тайны сверхпроводимости и открытие новых материалов. Хотя полное понимание квантового механизма еще предстоит открыть, ученые нашли способы улучшить сверхпроводимость (увеличить критическую температуру и критический ток) и открыли много новых семейств высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Каждый новый сверхпроводящий материал дает ученым возможность приблизиться к пониманию того, как работает высокотемпературная сверхпроводимость и как разрабатывать новые сверхпроводящие материалы для передовых технологических приложений.

Факты о сверхпроводимости

  • Сверхпроводимость была открыта в 1911 году Хайке Камерлинг-Оннес. За это открытие, сжижение гелия и другие достижения он получил Нобелевскую премию по физике 1913 года.
  • Пять Нобелевских премий по физике были присуждены за исследования в области сверхпроводимости (1913, 1972, 1973, 1987 и 2003 годы).
  • Приблизительно половина элементов в таблице Менделеева обладает низкотемпературной сверхпроводимостью, но в приложениях со сверхпроводимостью часто используются более простые в использовании или менее дорогие сплавы. Например, в аппаратах МРТ используется сплав ниобия и титана.

Ресурсы и связанные термины

  • Потребности в фундаментальных исследованиях квантовых материалов для технологий, связанных с энергетикой
  • Использование сверхпроводимости
  • Потребности в фундаментальных исследованиях сверхпроводимости
  • Разгадка тайны идеальной эффективности: исследование сверхпроводников
  • Научные достижения: физики раскрывают секрет поведения уникальных сверхпроводящих материалов

 

Научные термины могут сбивать с толку.