Сверхпроводимость 1 2 3 4 5 Экспериментальные факты. Сверхпроводимость интересные факты
AMPERSAND - интересные факты: Сверхпроводимость
Как развивались исследования сверхпроводимости с конца XIX века до наших дней? В чем заключается инновационность теории Бардина — Купера — Шриффера? Почему не существует микроскопической теории сверхпроводимости? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Владимир Пудалов.История сверхпроводимости удивительна и своими великими достижениями, и курьезами. Вернемся к истокам открытия сверхпроводимости. Надо отлистать назад примерно 120 лет и вспомнить, что в конце XIX века, когда термодинамика была на пике развития, различные исследователи, в частности Камерлинг-Оннес в Голландии и Джеймс Дьюар в Англии, соревновались между собой в попытке ожижить газы и достичь все более низкой температуры. Джеймс Дьюар первый ожижил водород и обогнал в этом Камерлинг-Оннеса. Но дальше Камерлинг-Оннес взял реванш, и в 1898 году он первый ожижил гелий — это последний газ из благородных, который наиболее долго сопротивлялся, и таким образом получил температуру 4 кельвина. Джеймс Дьюар руководствовался в основном такими термодинамическими соображениями и стремился к достижению низких температур таким путем, а Камерлинг-Оннес руководствовался более глубокой физической задачей.
В то время уже существовала теория Друде, которая описывает сопротивление простых металлов и излагается сейчас в школьных и университетских учебниках физики как некое движение шариков, сталкивающихся между собой, и так возникает сопротивление. И возникал вопрос: а что будет при устремлении температуры к нулю, что будет с сопротивлением? И существовало теоретическое предсказание, которое выдвинул лорд Кельвин, о том, что по мере понижения температуры, во-первых, сопротивление должно уменьшаться, а во-вторых, при стремлении к абсолютному нулю — хотя мы знаем, что это невозможно — электроны должны захватиться каждый вокруг своего узла решетки и таким образом перестать проводить, сопротивление должно достигнуть минимума, потом резко увеличиться и уйти в бесконечность. Понятно, что для того, чтобы увидеть эти эффекты, нужно было понизить роль рассеяния электронов на дефектах, на примесях, то есть надо было делать образцы все более чистыми. И вот в лаборатории Камерлинг-Оннеса в Голландии, в Лейдене, успешно работали со ртутью, ртуть легко очищается. Они охладили ртуть, поместили ее в жидкий гелий, и в 1898 году он и его помощник увидели, что сопротивление ртути по мере понижения температуры уменьшается и вдруг скачком обращается в нуль.
Далее события развиваются не так скачкообразно, но тем не менее увлекательно, потому что после открытия эффекта начинается его глубокое исследование. И вот 20 лет никаких особых достижений нет, но в 1931 году Мейснер и Оксенфельд обнаруживают, что у сверхпроводимости есть другое лицо: замечательное свойство сверхпроводников состоит в том, что магнитное поле в них не проникает, а полностью выталкивается наружу. Таким образом, сверхпроводники — это не только материалы с нулевым сопротивлением, но и идеальные диамагнетики.
Надо вспомнить, что наш замечательный физик Иоффе, который в то время работал в Петербурге и был руководителем и наставником очень многих великих физиков, тогда понимал, что для развития физики надо посылать молодых людей за границу, и послал Капицу в Кембридж, Шубникова в лабораторию Камерлинг-Оннеса. И Шубников там сделал замечательное открытие эффекта Шубникова — де Гааза, но к сверхпроводимости больше имеет отношение другое его открытие. Он обнаружил, что сверхпроводимость возникает не только в сверхчистых металлах, но и в совершенно грязных сплавах и в них разрушение сверхпроводимости магнитным полем происходит гораздо менее интенсивно.
Сверхпроводимость возникает при понижении температуры, но разрушается при увеличении тока, который проходит через сверхпроводник.
Существует критическое значение тока, и сверхпроводимость разрушается также и магнитным полем, когда токи, экранирующие магнитное поле, для того чтобы возник эффект Мейснера, достигают критического значения, критического тока. В сплавах это происходит гораздо слабее. Если бы 20 лет назад Камерлинг-Оннес вместо того, чтобы очищать ртуть, просто взял и поместил бы в свою исследовательскую ячейку какой-нибудь кусок припоя, который наверняка валялся на всех столах в лаборатории, он бы обнаружил, что сверхпроводимость наступает при гораздо более высоких температурах в грязном металле, и он бы обнаружил сверхпроводимость второго рода, и, может быть, вообще развитие техники сверхпроводимости пошло бы гораздо более интенсивно.
Сверхпроводимость как явление существует, и физики воодушевлены, интересуются, исследуют, но теория не существует. Над созданием микроскопической теории бьются многие великие ученые: Паули, Фейнман, даже Эйнштейн, — это очень сложная задача, она не поддается решению. Но, пока не существует микроскопической теории, развивается теория феноменологическая.
В самом начале 50-х годов наш соотечественник Виталий Лазаревич Гинзбург посещает лекции Ландау, работает вместе с Ландау, воодушевляется его теорией фазовых переходов и задачей понимания сверхпроводимости, и он вместе с Ландау формулирует такую феноменологическую теорию, которая сейчас называется теория Гинзбурга — Ландау (далее ее усовершенствовали Абрикосов и Горьков). И эта теория описывает сверхпроводимость как движение, как вообще существование единого конденсата. Все носители тока в сверхпроводнике существуют в едином квантовом состоянии, описываются одной волновой функцией, у нее есть единая фаза, у этой волновой функции есть амплитуда, и она называется параметром порядка — это тот параметр порядка, который вводится в духе теории Ландау для фазовых переходов любого материала, для любых фазовых переходов. В сверхпроводнике параметр порядка исчезает при переходе сверхпроводника в нормальное состояние.
В течение почти 40 лет после открытия сверхпроводимости микроскопическую теорию не удавалось создать, несмотря на гигантские усилия самых лучших физиков-теоретиков в этом отношении. Действительно, явление сложное. Дело в том, что вы имеете дело с многочастичной системой, в которой много электронов, они взаимодействуют друг с другом, решеткой и так далее. И наконец в 1957 году появилась теория Бардина — Купера — Шриффера, все трое были удостоены Нобелевской премии. Идея этой работы была основана на более ранней статье Купера, в которой он показал, что электроны могут испытывать спонтанную неустойчивость и соединяться в пары при наличии самого слабого взаимодействия между ними. И вот Бардин, Купер, Шриффер создали эту теорию, в которой электроны действительно склеиваются в пары. Электроны сами по себе фермионы, у них спины ½, они стремятся держаться как можно дальше друг от друга, а вот пары уже являются бозонами, они просто дальше конденсируются в одно квантовое состояние, и это подтверждает ту идею, которую Гинзбург и Ландау феноменологически сформулировали в своей теории, когда они описывали всю эту электронную жидкость в виде единого квантового конденсата с единой фазой.
Очень любопытно, и это многократно Гинзбург рассказывал, что, когда они создавали с Ландау свою теорию, в теории фигурировал заряд частиц, который переносит ток в сверхпроводнике. Никто не знал, какой это заряд частиц. И Гинзбург предложил Ландау для общности оставить этот заряд просто каким-то произвольным. Ландау резко возражал, Ландау был учитель, он резко возражал, сказал, что в таком случае это может быть совершенно случайная величина, заряд электрона делить на π, и тогда эта теория потеряет общность и станет неуниверсальной. Гинзбург как-то не возражал, и так это и было опубликовано. Но теперь мы знаем, что заряд элементарной пары, которая переносит ток, заряд в сверхпроводнике, равен 2е. Действительно, в этой теории надо вместо заряда электрона подставить удвоенный заряд электрона, и тогда все будет правильно.
Где-то в конце 50-х годов, может быть, под влиянием неудач в создании микроскопической теории теория Гинзбурга — Ландау объяснила как, но не объяснила почему. Некоторые люди впадают в совершенный пессимизм. И вот известный теоретик Макмиллан публикует утверждение о том, что, возможно, мы достигли предела критической температуры сверхпроводников, а в то время она составляла 17 кельвин, это были Nb3Ge, Nb3Sn, такие сверхпроводники. Публикуется двухтомник, включающий в себя теоретические статьи многих выдающихся физиков, весь этот двухтомник интерпретируется как последний гвоздь в гроб сверхпроводимости. Полный пессимизм.
И на фоне этого пессимизма начинается интенсивная работа группы под руководством Гинзбурга, в нее входят Киржниц, Максимов и несколько других теоретиков, и они завершают свою работу изданием книги, которая называется «Высокотемпературная сверхпроводимость», — это многотомник, сборник трудов. И в ней делается серьезное утверждение о том, что нет никаких физических ограничений на значение критической температуры.
Сверхпроводимость может существовать вплоть до комнатной температуры, возможно, и выше, и об этом говорится вполне серьезными теоретиками.
Надо понимать, что это утверждение было встречено в штыки многими, но эксперимент начинает постепенно подтверждать эту мысль.
В 1973 году открывают сплав Nb3Ge с температурой около 30 кельвин. И наконец в 1986 году Джордж Беднорц и Алекс Мюллер из лаборатории IBM в Цюрихе сообщают об открытии совершенно нового сверхпроводника в оксидах меди. До сих пор, хотя теория не существовала, все исследователи руководствовались соображением сделать как можно более хороший металл, чтобы из него потом получился сверхпроводник. Здесь сверхпроводимость возникает в очень плохом металле, который фактически даже в недопервом состоянии является изолятором, стремится стать изолятором при понижении температур, — это лантановый купрат.
Вскоре, через год, в Америке осуществляется синтез сверхпроводника из этой же серии — иттрий-бариевого купрата (YBCO), который имеет уже критическую температуру 93 кельвина. Эта температура выше, чем температура кипения жидкого воздуха, и это событие вызвало революционный отклик во всем мире, буквально тысячи лабораторий подключились к исследованию этих соединений, немедленно были открыты целые возможные вариации, потому что в четверном соединении имеется огромная возможность перебирать компоненты, в общем, есть много места для работы исследователей.
Так критическая температура постепенно повышается, и на сегодняшний день рекорд принадлежит таллиевым и ртутным сверхпроводникам, у которых она достигает 135 кельвин, а под высоким давлением — 165 кельвин. И этот рекорд — 135, вообще создание ртутных сверхпроводников — это достижение принадлежит Евгению Антипову и его группе из Московского государственного университета.
Дальше критическую температуру повысить не удается, но тем не менее происходит замечательное событие: в 2001 году обнаруживается сверхпроводимость в совершенно простом двухэлементном соединении — MgB2. Это соединение давно известно, давно исследовалось, и оно дешевое, в отличие от купратов. Поэтому оно замечательно доказывает универсальность сверхпроводимости и возможность достижения все более высоких температур, то есть идеи Гинзбурга.
И наконец, уже в наши дни, в 2008 году, совсем недавно Хосоно и его группа из Японии обнаружил сверхпроводимость в соединениях железа. Это событие поразительное, потому что во многих случаях физики эмпирически руководствовались правилами, которые выработались за долгую историю создания сверхпроводимости, за долгую историю исследования сверхпроводимости, и эти эмпирические правила подсказывают, какие соединения надо брать, на каком пути можно достигнуть успеха. И одно из этих эмпирических правил, которое было сформулировано американским физиком-эмпириком Маттисоном, звучит так в русском переводе, может быть, не очень точном: «Держись подальше от железа». Это понятно, потому что сверхпроводимость и ферромагнетизм — а ферромагнетизм всегда отождествляется с железом — являются врагами, сверхпроводимость никогда до сих пор не сосуществовала с магнетизмом, и это эмпирическое правило понятно.
И здесь в этих соединениях вдруг оказывается, что именно сверхпроводимость осуществляется по слоям, в которых находится железо, слоям «железо — мышьяк». Это соединение теперь уже не одно, известен целый класс различных структурных соединений, около десятка разных типов, не только химических вариаций — ясно, что из четырех элементов, перебирая их, можно составить различные классы. У этих соединений не такая высокая критическая температура, они не рекордсмены в этом смысле, но они рекордсмены в другом отношении. Дело в том, что они изотропны и поэтому имеют очень большой потенциал для практических применений в проводах. И наконец, у них сверхпроводимость существует вплоть до рекордных критических полей. На сегодняшний день, я помню, это цифра около 200 тесла. В этом отношении они очень перспективны для использования в технике, технологии сильных магнитных полей, и поэтому сейчас они интенсивно исследуются.
Декабрь 2014 года, еще не опубликованная работа уже вывешена в интернете в архиве cond-mat, и в ней сообщается: группа, включающая двух наших соотечественников, в Институте Макса Планка обнаружила сверхпроводимость в гидратах серы при высоком давлении, около 2 мегабар, и эта сверхпроводимость существует вплоть до температур около 180–190 кельвин. В общем, как видите, если вспомнить еще давние предположения о том, что сверхпроводимость будет наблюдаться в твердом водороде, он будет металлический при высоком давлении, возможно, останется стабильным, — все это дает очень интересные предпосылки для дальнейших поисков.
ampersandfacts.blogspot.com
Подтверждено: создан сверхпроводник, работающий при "Земной" температуре.
Физики обнаружили материал, который становится сверхпроводящим при температуре немногим выше, чем самая холодная температура на земле. Это открытие может ознаменовать новую эру изучения сверхпроводимости. Мир сверхпроводимости загудел. В прошлом году Михаил еремец и пара его коллег из института химии Макса планка в Майнце, Германия, сделали необычные заявление о наблюдении сверхпроводящего сероводорода при - 70 градусах по цельсию
Результаты работы ученых начали обсуждать в прошлом декабре, когда их впервые разместили на Arxiv. На тот момент физики осторожно о своей работе высказывались. История сверхпроводимости усеяна трупами сомнительных заявлений о высокотемпературной активности, которые впоследствии оказалось невозможно воспроизвести.
С тех пор прошло довольно много времени, еремец и коллеги упорно трудились, чтобы соорудить окончательные и убедительные доказательства. Несколько недель назад их работа была опубликована в журнале Nature, тем самым поставив штамп респектабельности, необходимой в современной физике. Сверхпроводники снова в заголовках замелькали.
Антинио бьянцони и Томас ярлборг из римского международного центра материаловедения в Италии сделали обзор своей захватывающей области работы. И проделали теоретическую работу, разъясняющую труды еремца и его коллег.
Для начала немного предыстории. Сверхпроводимость - это явление нулевого электрического сопротивления, которое встречается в некоторых материалах, когда они охлаждаются ниже критической температуры.
Это явление хорошо известно в обычных сверхпроводниках, которые по сути являются жесткими решетками положительных ионов, купающихся в море электронов. Электрическое сопротивление возникает, поскольку электроны врезаются в эти решетки и теряют энергию по мере движения через нее.
Однако при низких температурах электроны могут соединяться друг с другом с образованием куперовских пар. В то же время решетка становится достаточно жесткой, чтобы позволить когерентное движение волн, называемых фононами.
Сверхпроводимость рождается, когда куперовские пары и фононы путешествуют вместе через материал, и волны существенно расчищают путь для электронных пар. Это наступает, когда вибрации решетки - ее температура - становится достаточно сильной, чтобы разорвать куперовские пары. Это критическая температура.
До недавнего момента самой высокой критической температурой такого рода была отметка в - 230 градусов по цельсию (40 по Кельвину.
Существует три основных характеристики, которые ищут ученые для подтверждения сверхпроводимости материала. Первая - внезапное падение электрического сопротивления, когда материал охлаждается ниже критической температуры. Вторая - вытеснение магнитного поля из материала, эффект, известный как эффект мейснера.
Третья - изменение критической температуры, когда атомы в материале заменяются изотопами. Происходит это потому, что разница в массе изотопов приводит к тому, что решетка вибрирует по-разному, что меняет критическую температуру.
Но есть еще один вид сверхпроводимости, гораздо менее понятный. Он включает определенные керамические вещества, обнаруженные в 1980-х годах, которые становятся сверхпроводящими при температурах до - 110 градусов по цельсию. Никто на самом деле не понимает, как они работают, но большая часть исследований в сообществе сверхпроводимости сосредоточена на этих экзотических материалах.
Еремец и его коллеги, скорее всего, изменили расстановку позиций. Возможно, самым большим сюрпризом в их прорыве стало то, что он не включает "Высокотемпературный" сверхпроводник. Он включает обычный сероводород, за которым никогда не замечали, чтобы он был сверхпроводником при температурах выше 40 градусов по Кельвину.
Еремец и его коллеги достигли своей цели, сжав этот материал под давлением, которое существует только в центре земли. В то же время им удалось обнаружить доказательства всех важнейших характеристик сверхпроводимости.
А пока их эксперименты продолжаются, теоретики ломают голову, пытаясь это объяснить. Многие физики считали, что была некая теоретическая причина того, почему традиционные сверхпроводники не могут работать при температуре выше 40 градусов по Кельвину. Но оказалось, что в теории нет ничего, что препятствует работе сверхпроводников при более высоких температурах.
В 1960-х годах британский физик Нил эшкрофт предсказал, что водород должен быть в состоянии сверхпроводить при высоких температурах и давлениях, возможно, даже при комнатной температуре. Его идея заключалась в том, что водород настолько легкий, что должен образовывать решетку, способную вибрировать при очень высоких частотах и, следовательно, становиться серхпроводником при высоких температурах и давлениях.
Еремец и его коллеги, похоже, подтвердили эту идею или по крайней мере что-то вроде этого. Есть множество теоретических складок, которые нужно убрать, прежде чем физики смогут сказать, что имеют правильное понимание происходящего. Теоретическая работа продолжается.
Теперь гонка заключается в поиске других сверхпроводников, которые будут работать при еще более высоких температурах. Одним из перспективных кандидатов является h4S (а не h3S, над которым изначально работал еремец.
И, конечно, физики начинают думать над применениями. Использовать такие материалы весьма непросто, и не только потому, что они являются сверхпроводниками при высоких давлениях.
Но фантазировать не мешает ничего. "Это Открытие Имеет Значение не Только для Материаловедения и Конденсированной Материи, но и в Других Сферах, от Квантовых Вычислений до Квантовой Физики Живой Материи", - говорят бьянцони и ярлборг. Они также выдвигают интересную идею, что такой сверхпроводник работает при температуре, которая на 19 градусов выше самой холодной температуры на земле.
Возможно, в ближайшие месяцы и годы мы услышим еще много интересного о сверхпроводниках.
interesnyefakty.com
Горячая сверхпроводимость | Журнал Популярная Механика
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.
Недорогие эксперименты С появлением материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние уже при температуре жидкого азота, опыт с парением сверхпроводника в магнитном поле стал доступен даже в школьных условиях.
Парящий ротор Компания Nexans на основе высокотемпературных сверхпроводников сконструировала бесконтактный магнитный подшипник для мощных электродвигателей. Такие двигатели планируется ставить на военные корабли
В YBaCuO на один атом иттрия приходятся два атома бария, три атома меди и около семи атомов кислорода, поэтому его называют структурой 1−2-3. Ей соответствуют две очень похожие слоистые псевдоперовскитовые решетки с ячейками в виде почти прямоугольных параллелепипедов
В статье о сверхпроводимости («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 fur 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 fur 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 fur Physik, да и у всего физического сообщества он давно не пользовался таким престижем, как в начале ХХ века, когда там печатались Эйнштейн, Шредингер, 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 все. 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».
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2012).www.popmech.ru
Сверхпроводимость 1 2 3 4 5 Экспериментальные факты
Сверхпроводимость 1. 2. 3. 4. 5. Экспериментальные факты Типы сверхпроводимости Особенности сверхпроводимости I и II рода Критические параметры сверхпроводимости Квантовая теория сверхпроводимости Бардина, Купера и Шриффера (теория БКШ) 6. Высокотемпературные сверхпроводники 7. Применение сверхпроводимости
Сверхпроводимость Открытие -Х. Каммерлинг-Оннес, 1911 год.
Сверхпроводимость (факты) I. § Удельное сопротивление сверхпроводящих материалов (свп) при понижении температуры до некоторой критической падает до нуля. Каждый сверхпроводник обладает четко фиксируемой , присущей только ему температурой перехода в свс. § Ширина температурного интервала, в течение которого происходит переход, у свп 1 -го рода составляет (10 -3 -10 -4)К и возрастает при наличии примесей и дефектов структуры. ρ ρ
Сверхпроводимость (факты) В настоящее время известно около тысячи веществ, в основном сплавов, обладающих сверхпроводимостью. Причем, у таких хороших проводников, как Cu, Au , Ag, сверхпроводимость не обнаружена. Легче обнаружить сверхпроводимость (свп) у сплавов с большим ρ. Не обнаружена свп и у сплавов, содержащих ферромагнетики (Fe , Ni , Co ). §
Сверхпроводимость (факты) II. Зависимость Тк от величины внешнего магнитного поля Н. Чем больше Н, тем меньше Тк Где: Нo – критическая напряженность при Т=0; Тк критическая температура Следствием этой зависимости является наличие критической напряженности магнитного поля (HK ), которая снимает свп-состояние (в табл. 1 приведены значения (HK ) для T ~ 1 К).
Сверхпроводимость (факты) Наличие HK затрудняет использование свп для создания мощных электромагнитов. Протекающий по свп ток тоже создает магнитное поле, которое, как и внешнее, разрушает свп-состояние. JK критический ток, создающий магнитное поле, равное HK. Ясно, чем больше TK, тем больше JK.
Сверхпроводимость (факты) III. Диамагнитизм свп. Сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками, магнитное поле выталкивается из свп – эффект Мейсснера – Оксенфельда (1933 г). В дальнейшем выяснилось, что при Н
Сверхпроводимость (факты) IV. Скачек теплоемкости Переход в свп состояние (и обратно) – фазовый переход второго рода. Прямые измерения теплоемкости свп при Н =0 показывают, что при Т=Тк теплоемкость Ссвп испытывает скачек до величины, которая в 2 -2. 5 раза превышает ее значение в нормальном состоянии при Т≥Тк. При этом теплота перехода ∆Q=0. Это классическая характеристика фазовых переходов 2 -го рода. Этот скачек обусловлен изменением электронной теплоемкости, связанной с перестройкой электронной подсистемы. Какой?
Сверхпроводимость (факты) V. Изотопический эффект. Открытие этого эффекта (Массвелл, Рейнольдс, 1950 г. ) сыграло, пожалуй, решающую роль в создании теории свп. Исследование изотопов различных свп привело к установлению связи между Т к и массой изотопов : Тк = const/ M 1/2 где M –атомная масса изотопа. Масса изотопа –характеристика решетки кристалла и может влиять на ее свойства. Например частота нормальных колебаний ω ~1/M 1/2. Но свп – свойство электронов металла, следовательно, кристаллическая решетка (масса атомов) влияет на поведение электронов проводимости.
Сверхпроводящие металлы Свойством сверхпроводимости обладают около половины металлов и несколько сотен сплавов. При обычных температурах проводимость сверхпроводников ниже, чем у несверхпроводящих металлов Технеций - 11. 2 К.
Два типа сверхпроводимости § Сверхпроводимость I рода Материалы в сверхпроводящем состоянии выталкиваются магнитным полем, т. е являются идеальными диамагнетиками (эффект В. Мейсснера и Р. Оксенфельда 1933 г). Удельное сопротивление равно нулю. § Сверхпроводимость II рода Материалы в сверхпроводящем состоянии по большей части являются диамагнетиками (частичный эффект Мейсснера) и их удельное сопротивление близко к нулю.
Диссипация энергии в металлах при прохождении тока Нормальный металл ток Рассеяние электронов ведет к возникновению ΔU – падения напряжения. Сверхпроводник I рода ток В сверхпроводящем состоянии ΔU =0. Сверхпроводник II рода ток
Сравнение проводимости обычных металлов с проводимостью сверхпроводника Электрон имеет заряд Электроны образуют Куперовские пары, поэтому их заряд • Рассеяние электронов обусловливает наличие сопротивления • Куперовские пары электронов переносят ток сверхпроводимости не встречая сопротивления • Ток генерирует падение напряжения, поэтому происходит диссипация энергии • Ток сверхпроводника не генерирует падения напряжения, поэтому отсутствует диссипация энергии
Поведение сверхпроводников в магнитном поле нормальный металл μ>0, В>0, Сверхпроводник I рода μ=0, В=0, диамагнетик Сверхпроводник II рода μ~0, В ≠ 0, идеальный
Особенности сверхпроводимости I рода Обнаруживают эффект В. Мейсснера (В = 0) вне глубины проникновения магнитного поля δ. При температуре ниже критической магнитная индукция в металле В=0, а намагниченность характеризуется отрицательным значением, т. е. сверхпроводник является диамагнетиком.
Особенности сверхпроводимости второго рода Магнитный поток начинает проникать в образец при поле Нс1 которое ниже критического поля Нс. Между Нс1 и Нс2 образец находится в вихревом состоянии. Выше Нс2 образец является нормальным проводником.
Квантование потока Каждый вихрь характеризуется магнитным потоком, кратным кванту магнитного потока Ф 0. Коллектив вихрей известен как решетка вихрей Абрикосова. Ф 0 = h/2 е=2× 10 -15 Т м 2. где: квант магнитного потока (флюксон)
Схематическое представление смешанного состояния В сверхпроводниках II рода области нормального материала (вихри), размеры которых характеризуются длиной когерентности (ξ), окружены сверхпроводящей фазой где ρ=0. Распределение сверхпроводящей электронной плотности: ns Длина когерентности: ξ – длина, на которой дрейфовая скорость электронов слабо меняется. Глубина проникновения: λ
Смешанное состояние в сверхпроводниках II рода В смешанном состоянии линии магнитного потока окружены вихревыми мейснеровскими потоками. Структура отдельной цилиндрической нити n-фазы радиуса ξ (заштрихованная область) находящейся внутри s – фазы сверхпроводника второго рода в смешанном состоянии. Магнитное поле Н и экранирующий мейснеровский ток I (создаваемый куперовскими парами) проникает в глубь s –фазы на расстояние λ.
Критические параметры сверхпроводимости Три критических параметра: § критическая температура Тс § критическое магнитное поле Hc § критическая плотность тока Jc Критическая поверхность сверхпроводников
Теория сверхпроводимости БКШ Сверхпроводимость является квантовым эффектом и не может быть объяснена в рамках классической физики. Многие свойства сверхпроводников были систематизированы и объяснены в рамках феноменологической электродинамической теории, которая была предложена Ф. и Г. Лондонами в 1935 году и была развита Пиппардом, Гинзбургом и Ландау в 1950 -1953 г. г. Квантовая теория создана Бардиным, Купером и Шриффером (теория БКШ), 1957 г.
Происхождение запаздывающего притягивающего потенциала Электрон вблизи поверхности Ферми двигается с высокой скоростью VF. В процессе его движения происходит смещение ионов, которое создает эффективный положительный заряд.
Происхождение энергетической щели Вследствие запаздывания второго электрона кулоновское отталкивание между ними пренебрежимо мало. Взаимодействие двух электронов можно рассматривать как обмен виртуальными фононами. Это приводит к притягивающему !!!! взаимодействию между ними и возникновению Куперовских пар.
Происхождение энергетической щели Притяжение между электронами приводит к понижению их энергии относительно энергии уровня Ферми на величину равную W- энергетическая щель сверхпроводника. Чтобы разрушить связь между парой нужно приложить энергию больше 2 W. Это объясняет наличие критической температуры сверхпроводимости. W=W 1+W 2 -Wb W 1, W 2 – энергия не взаимодействующих электронов; Согласно теории БШК 2 Wb(0) = 3. 5 КТс Wb – энергия связи каждого взаимодействующего электрона.
Влияние электрического поля на заполнение допустимых состояний сверхпроводника а) нет внешнего электрического поля, полный импульс пары (p) + (-p) равен нулю, тока нет. б) приложено электрическое поле Е полный импульс пары (p+q) + ( -p+q) = 2 q не равен нулю, поток электронов направлен направо (ток налево).
Коллективный характер поведения электронов сверхпроводимости Размер Куперовской пары может составлять величину порядка 10 -6 м. В таком объеме размещается громадное число электронов, объединенных в пары, так что понятие изолированной пары электронов теряет смысл. Эти пары перекрывают друга, образуя единый коллектив "конденсат". При очень низких Тo К это в высшей степени координированное состояние электронов, осуществляющихся самопроизвольно, потому что выигрыш в энергии для каждой пары превышает потери, связанные с тем, что свобода для отдельных е- утрачивается. Вот почему сверхпроводящее состояние устойчиво и для его разрушения нужно приложить к сверхпроводнику энергию (тепловую, магнитную, электрическую).
Коллективный характер поведения электронов сверхпроводимости Т. к. куперовские пары электронов обладают спином равным 1 т. е. являются бозонами, то на них не распространяется запрет Паули. Поэтому в одном и том же квантовом состоянии может находиться любое число частиц, т. к. бозоны проявляют "стремление" к объединению, т. е. тем интенсивнее заселяют данное состояние, чем больше находится в нем частиц. Оценка показывает, что количество такие электронов составляет примерно 10 -4 от общего их числа.
Прогресс в получении ВТСП
Сверхпроводящая керамика
Области применения сверхпроводимости § Скоростной транспорт на магнитной подушке (нет трения , шума, высокая скорость, надежность и т. д). § Электроника (сверхпроводящие устройства основанные на расщеплении энергетических уровней в магнитном поле, NDT, переключающие устройства и т. д). § Ускорители элементарных частиц § Ядерная энергетика § Для производства электрогенераторов высокой эффективности § Связь (снижение шумов, повышение надежности, скорости, снижение потерь).
Левитация магнитного диска над диамагнитным керамическим постаментом изготовленным из высокотемпературного СВП
Спасибо за внимание. Лекция окончена
present5.com
Новое о высокотемпературной сверхпроводимости | Наука и жизнь
Международная команда исследователей, в состав которой входит химик из МГУ, получила новые интересные результаты по физике высокотемпературной сверхпроводимости.
Сверхпроводящий поток (красные трубочки) проходит через пустоты между электронными кристаллами (желтые пузыри). Источник: RICMASS
Модель структуры сверхпроводника. Источник: Сергей Казаков
Старший научный сотрудник кафедры электрохимии химического факультета МГУ Сергей Казаков
Хронология создания высокотемпературных проводников (по вертикали отложена Тс) Источник www.chem.msu.su
‹
›
История сверхпроводимости начинается в 1911 году, когда голландец Камерлинг-Оннес, впервые получивший жидкий гелий, обнаружил, что при температуре близкой к абсолютному нулю (0 К или -273,15° С) ртуть полностью теряет электрическое сопротивление. Столь низкие температуры стали непреодолимым барьером на пути практического применения открытия. За 75 лет температуру перехода в сверхпроводящее состояние (критическую температуру Тс) удалось поднять всего лишь до 23,2 К для Nb3Ge.
В 1986 году произошла революция – была обнаружена способность керамики на основе оксидов меди с другими элементами (купратов) переходить в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. В течение последующих десятилетий было открыто несколько соединений обладающих свойством высокотемпературной сверхпроводимости. Однако теория этого явления окончательно не создана и по сей день
С точки зрения нашей истории интерес представляет то, что в 1993 году молодые химики МГУ Евгений Антипов и Сергей Путилин с коллегами открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников с общей формулой HgBa2Can-1CunO2n+2+ у, один из которых до сих пор имеет наибольшее известное значение критической температуры при нормальном давлении (135 К). Их ученик Сергей Казаков после окончания аспирантуры уехал работать в Федеральный швейцарский технологический институт Цюриха, где занимался проблемами синтеза и роста монокристаллов под высоким давлением. В 2005 году он вернулся в МГУ и стал старшим научным сотрудником кафедры электрохимии химического факультета. Именно в Швейцарии Сергей Казаков вырастил кристаллы HgBa2CuO4+y, которые исследовались в настоящей работе. Их выбор связан с тем, что они являются идеальным объектом для изучения модельных явлений, так обладают неискаженной тетрагональной структурой и максимальной температурой перехода (Тс =95 К) среди однослойных купратов.
Температуры перехода в сверхпроводящее состояние у таких соединений сильно зависят от содержания кислорода и числа слоев (CuO2). Кислород здесь является допантом, т.е. добавкой, повышающей электрическую проводимость вещества. Проблема в том, что его хаотическое введение в исходный кристалл порождает дефекты кристаллической решетки, которые должны сказаться на формировании сверхпроводящего состояния. Однако кристалл – это не просто совокупность атомов, расположенных в виде правильной решетки, его лучше представлять в виде двух отдельных компонент: положительных ионов, которые расположены в узлах решетки, и электронов проводимости, распределенных по кристаллу и обладающих «коллективными» свойствами. Ионы определяют форму и механические свойства кристалла, а электроны — его электрические и магнитные свойства.
Взаимодействие этих двух компонент друг с другом порождает интересные эффекты. Один из них заключается в том, что некоторые кристаллы при температуре существенно ниже комнатной становятся «полосатыми». Ионы уже не сидят в узлах строго периодической кристаллической решетки, а группируются в полоски шириной в несколько атомных слоев. Из-за соответствующего смещения электронов на поверхности возникают чередующиеся полоски положительного и отрицательного заряда – так называемые волны зарядовой плотности. Это можно обнаружить по рассеянию рентгеновских лучей.
Оказалось, что волны зарядовой плотности могут «гасить» неоднородности внедрения примеси в кристалл. Собственно в этом и заключается суть данной работы. Физикам впервые удалось продемонстрировать, что распределение кислородных дефектов у сверхпроводящих купратов не является случайным, а показывает упорядоченное поведение, которое взаимодействует с волной зарядовой плотности. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature.
Ученые полагают, что их работа даст новый взгляд на сложное явление высокотемпературной сверхпроводимости на наноуровне и сможет пролить свет на его теорию, которая до сих пор не установлена окончательно. Возможно, это позволит со временем разработать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Пока что исследователи доказали, что эффект проявляется при температуре в −70°C, а это уже сравнимо с самыми низкими естественными температурами в Арктике.
По материалам МГУ.
www.nkj.ru
Сверхпроводимость - Мастерок.жж.рф
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.
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 Müller, 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.
[источники]Источники:https://elementy.ru/trefil/21064/Teoriya_sverkhprovodimostihttps://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/SPF/uchpos/text/5_6.htmlhttps://naked-science.ru/article/column/naydena-svyaz-sverhprovodimosti-s
masterok.livejournal.com
Кто открыл явление сверхпроводимости? | Kratkoe.com
Кто открыл явление сверхпроводимости, Вы узнаете из этой статьи.
Что такое сверхпроводимость?
Сверхпроводимость – это явление, при котором отсутствует сопротивление к постоянному току неких материалов ниже определенной критической температуры (температуры перехода в новое сверхпроводящее состояние), которое сопровождается выталкиванием из объема материала слабого магнитного поля в момент его перехода в это сверхпроводящее состояние.
Кто и когда открыл явление сверхпроводимости?
Явление сверхпроводимости было открыто голландским физиком Х. Камерлинг-Оннесом в 1911 году. Ученый занимался измерениями ртутного электрического сопротивления при низких температурных режимах. Физик пытался узнать, насколько малым может быть сопротивление вещества касательно электрического тока, в случае максимального очищения вещества от любых примесей и максимального снижения теплового шума, то есть температуры.
Эксперимент в результате показал неожиданные результаты: при температурном режиме ниже 4,15 К1 практически мгновенно исчезло сопротивление. Но суть самого явления сверхпроводимости смогли объяснить только в 1957 году. Оно далось оно благодаря квантовой теории.
Если значительно упростить суть понятия сверхпроводимости, то ее можно разъяснить как процесс, при котором происходит объединение электронов в шеренги. Они начинают движение, не прикасаясь к кристаллической решетке, в которой они находятся. Данное движение абсолютно не похоже на обычное тепловое хаотичное движение. Это и есть сверхпроводимость.
Также, кроме низкотемпературной сверхпроводимости в 1986 году было открыто высокотемпературную сверхпроводимость. Было создано сложные соединения и они способны переходить при температурном режиме 100 К в состояние сверхпроводимости.
Надеемся, что из этой статьи Вы узнали, когда было открыто явление сверхпроводимости.
kratkoe.com
