Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Надпровідність



План:


Введення

Магніт, левітірующіе над високотемпературним надпровідником, що охолоджується рідким азотом

Надпровідність - властивість деяких матеріалів володіти строго нульовим електричним опором при досягненні ними температури нижче певного значення (критична температура). Відомі кілька десятків чистих елементів, сплавів і керамік, що переходять в надпровідний стан. Надпровідність - квантове явище. Воно характеризується також ефектом Мейснера, що полягає в повному витісненні магнітного поля з обсягу надпровідника. Існування цього ефекту показує, що надпровідність не може бути описана просто як ідеальна провідність в класичному розумінні.

Відкриття в 1986-1993 рр.. низки високотемпературних надпровідників (ВТНП) далеко відсунуло температурну кордон надпровідності і дозволило практично використовувати надпровідні матеріали не тільки при температурі рідкого гелію (4.2 К), а й при температурі кипіння рідкого азоту (77 К), набагато більш дешевої кріогенної рідини.


1. Історія відкриття

Основою для відкриття явища надпровідності став розвиток технологій охолодження матеріалів до наднизьких температур. У 1877 році французький інженер Луї Кайете і швейцарський фізик Рауль Пікте (англ.) незалежно один від одного охолодили кисень до рідкого стану. У 1883 році Зигмунт Врублевський і Кароль Ольшевська (англ.) виконали зріджування азоту. В 1898 Джеймсу Дьюара вдалося отримати і рідкий водень.

У 1893 році проблемою наднизьких температур став займатися голландський фізик Хейке Камерлінг-Оннес. Йому вдалося створити найкращу в світі кріогенну лабораторію, в якій 10 липня 1908 їм був отриманий рідкий гелій. Пізніше йому вдалося довести його температуру до 1 Кельвіна. Камерлінг-Оннес використовував рідкий гелій для вивчення властивостей металів, зокрема, для вимірювання залежності їх електричного опору від температури. Згідно існуючим тоді класичним теоріям , Опір мало плавно падати зі зменшенням температури, проте існувало також думка, що при дуже низьких температурах електрони практично зупиняться і зовсім перестануть проводити струм. Експерименти, проведені Камерлінг-Оннес зі своїми асистентами Корнеліс Дорсманом і Гіллес Хольст, спочатку підтверджували висновок про плавний спаданні опору. Однак 8 квітня 1911 року він несподівано виявив, що при 3 Кельвінах (близько -270 C) електричний опір ртуті практично дорівнює нулю. Наступний експеримент, проведений 11 травня, показав, що різкий стрибок опору до нуля відбувається при температурі близько 4,2 К (пізніше, більш точні вимірювання показали, що ця температура дорівнює 4,15 К). Цей ефект був цілком несподіваним і не міг бути пояснений існуючими тоді теоріями.

В 1912 були виявлені ще два метали, що переходять в надпровідний стан при низьких температурах: свинець і олово. В січні 1914 було показано, що надпровідність руйнується сильним магнітним полем. В 1919 було встановлено, що талій і уран також є надпровідниками [1] [2].

Нульове опір - не єдина відмітна риса надпровідників. Одним з головних відмінностей надпровідників від ідеальних провідників є ефект Мейснера, відкритий Вальтером Мейснером і Робертом Оксенфельдом в 1933.

Перше теоретичне пояснення надпровідності було дано в 1935 Фріцем і Хайнцем Лондоном (англ.). Більш загальна теорія була побудована в 1950 Л. Д. Ландау і В. Л. Гінзбургом. Вона набула широкого поширення і відома як теорія Гінзбурга - Ландау. Проте ці теорії мали феноменологічний характер і не розкривали детальні механізми надпровідності. Вперше надпровідність отримала пояснення на мікроскопічному рівні в 1957 в роботі американських фізиків Джона Бардіна, Леона Купера і Джона Шріффера. Центральним елементом їхньої теорії, що отримала назву теорії БКШ, є так звані куперовських пари електронів.

Пізніше було встановлено, що надпровідники діляться на дві великі групи: надпровідників I типу (до них, зокрема, відноситься ртуть) і II типу (якими зазвичай є сплави різних металів). У відкритті надпровідності II типу значну роль зіграли роботи Л. В. Шубнікова в 1930-і роки і А. А. Абрикосова в 1950-е.

Для практичного застосування в потужних електромагнітах велике значення мало відкриття в 1950-х роках надпровідників, здатних витримувати сильні магнітні поля і пропускати великі щільності струму. Так, в 1960 під керівництвом Дж. Кюнцлера був відкритий матеріал Nb 3 Sn, дріт з якого здатна при температурі 4,2 К, перебуваючи в магнітному полі величиною 8,8 Тл, пропускати струм щільністю до 100 кА / см .

В 1962 англійським фізиком Брайаном Джозефсона був відкритий ефект, який отримав його ім'я.

В 1986 Карл Мюллер і Георг Беднорц відкрили новий тип надпровідників, які отримали назву високотемпературних [3]. На початку 1987 було показано, що сполуки лантану, стронцію, міді і кисню (La-Sr-Cu-O) відчувають стрибок провідності практично до нуля при температурі 36 К. На початку березня 1987 року був вперше отриманий надпровідник при температурі, що перевищує температуру кипіння рідкого азоту (77,4 К): було виявлено, що такою властивістю володіє з'єднання ітрію, барію, міді і кисню (Y-Ba-Cu-O). Станом на 1 січня 2006 року рекорд належить керамічному з'єднанню Hg-Ba-Ca-Cu-O (F), відкритому в 2003, критична температура для якого дорівнює 138 К. Більш того, при тиску 400 кбар то ж з'єднання є надпровідником при температурах до 166 К [4].


2. Властивості надпровідників

2.1. Нульове електричний опір

Електричні кабелі для прискорювачів в CERN : зверху звичайні кабелі для Великого електрон-позитронного коллайдера; внизу - надпровідні для Великого адронного коллайдера.

2.2. Надпровідники в високочастотному полі

Строго кажучи, твердження про те, що опір надпровідників дорівнює нулю справедливо тільки для постійного електричного струму. У змінному електричному полі опір надпровідника відмінно від нуля і росте зі збільшенням частоти поля. Цей ефект на мові дворідинної моделі надпровідника пояснюється наявністю нарівні зі надпровідної фракцією електронів також і звичайних електронів, число яких, проте, невелика. При приміщенні надпровідника в постійне поле, це поле всередині надпровідника звертається в нуль, оскільки інакше надпровідні електрони прискорювалися б до нескінченності, що неможливо. Однак у випадку змінного поля поле всередині надпровідника відмінно від нуля і прискорює в тому числі і нормальні електрони, з якими пов'язані і кінцеве електричний опір, і джоульова теплові втрати. Даний ефект особливо яскраво виражений для таких частот світла, для яких енергії кванта h \ nu достатньо для перекладу надпровідного електрона до групи нормальних електронів. Ця частота зазвичай лежить в інфрачервоній області (около 10 11 Гц), тому у видимому діапазоні надпровідники практично нічим не відрізняються від звичайних металів [5].


2.3. Фазовий перехід в надпровідний стан

Характер зміни теплоємності (c v, синій графік) і питомого опору (ρ, зелений), при фазовому переході в надпровідний стан

Температурний інтервал переходу в надпровідний стан для чистих зразків не перевищує тисячних часток Кельвіна і тому має сенс певне значення Т с - температури переходу в надпровідний стан. Ця величина називається критичною температурою переходу. Ширина інтервалу переходу залежить від неоднорідності металу, в першу чергу - від наявності домішок і внутрішньої напруги. Відомі нині температури Т з змінюються в межах від 0,0005 К у магнію (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ніобію і германію (Nb 3 Ge, в плівці) і 39 К у дибориду магнію ( Mg B 2) у низькотемпературних надпровідників з нижче 77 К, температури кипіння рідкого азоту), до приблизно 135 К у ртутьвмісних високотемпературних надпровідників. В даний час фаза HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 + d (Hg-1223) має найбільше відоме значення критичної температури - 135 К, причому при зовнішньому тиску 350 000 атмосфер температура переходу зростає до 164 К, що лише на 19 К поступається мінімальної температурі, зареєстрованої в природних умовах на поверхні Землі. Таким чином, надпровідники в своєму розвитку пройшли шлях від металевої ртуті (4.15 К) до ртутьвмісних високотемпературних надпровідників (164 К).

Перехід речовини в надпровідний стан супроводжується зміною його теплових властивостей. Однак, ця зміна залежить від роду розглянутих надпровідників. Так, для надпровідників Ι роду в відсутність магнітного поля при температурі переходу Т c теплота переходу (поглинання або виділення) звертається в нуль, а отже зазнає стрибок теплоємність, що характерно для фазового переходу ΙΙ роду. Така температурна залежність теплоємності електронної підсистеми надпровідника свідчить про наявність енергетичної щілини в розподілі електронів між основним станом надпровідника і рівнем елементарних збуджень. Коли ж перехід з надпровідного стану в нормальний здійснюється зміною прикладеного магнітного поля, то тепло повинно поглинатися (наприклад, якщо зразок теплоізольований, то його температура знижується). А це відповідає фазовому переходу Ι роду. Для надпровідників ΙΙ роду перехід з надпровідного у нормальний стан при будь-яких умов буде фазовим переходом ΙΙ роду.


2.4. Ефект Мейснера

Навіть більш важливим властивістю надпровідників, ніж нульове електричний опір, є так званий ефект Мейснера, що полягає в виштовхуванні надпровідником магнітного потоку rot B = 0 . З цього експериментального спостереження робиться висновок про існування незгасаючих струмів всередині надпровідника, які створюють внутрішнє магнітне поле, протилежно спрямоване зовнішнього, прикладеному магнітному полю і компенсує його.

Досить сильне магнітне поле при даній температурі руйнує надпровідний стан речовини. Магнітне поле з напруженістю Н c, яке при даній температурі викликає перехід речовини з надпровідного стану в нормальний, називається критичним полем. При зменшенні температури надпровідника величина Н c зростає. Залежність величини критичного поля від температури з хорошою точністю описується виразом

H_c (T) = H_ {c0} \ left (1 - \ frac {T ^ 2} {T_c ^ 2} \ right) ,

де H_ {c0} - Критичне поле при нульовій температурі. Надпровідність зникає і при пропусканні через надпровідник електричного струму з щільністю, більшої, ніж критична j_c , Оскільки він створює магнітне поле, більше критичного.


2.5. Ефект Літтла-Паркса

В 1962 году учёными Литтлом и Парксом было обнаружено, что температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока) зависит от величины магнитного потока. [6] Этот эффект является одним из проявлений макроскопической квантовой природы сверхпроводимости. [7] [8]


2.6. Изотопический эффект

Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Т с обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего элемента.

2.7. Момент Лондона

Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название "момент Лондона". Он применялся, в частности, в научном спутнике " Gravity Probe B ", где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов, чтобы определить их оси вращения. Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы, использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения.


3. Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Уже на относительно ранней стадии изучения сверхпроводимости, во всяком случае после создания теории Гинзбурга - Ландау, стало очевидно, что сверхпроводимость является следствием объединения макроскопического числа электронов проводимости в единое квантово-механическое состояние. Особенностью связанных в такой ансамбль электронов является то, что они не могут обмениваться энергией с решёткой малыми порциями, меньшими, чем их энергия связи в ансамбле. Это означает, что при движении электронов в кристаллической решётке не изменяется энергия электронов, и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления. Такое объединение частиц невозможно в ансамбле фермионов. Оно характерно для ансамбля тождественных бозонов. То, что электроны в сверхпроводниках объединены в бозонные пары, следует из экспериментов по измерению величины кванта магнитного потока, который "замораживается" в полых сверхпроводящих цилиндрах. Поэтому уже в середине прошлого века основной задачей создания теории сверхпроводимости стала разработка механизма спаривания электронов. Первой теорией, претендующей на микроскопическое объяснение причин возникновения сверхпроводимости, была теория Бардина - Купера - Шриффера, созданная ими в 50-е годы прошлого столетия. Эта теория получила под именем БКШ всеобщее признание и была удостоена в 1972 году Нобелевской премии. При создании своей теории авторы опирались на изотопический эффект, то есть влияние массы изотопа на критическую температуру сверхпроводника. Считалось, что его существование прямо указывает на формирование сверхпроводящего состояния за счет работы фононного механизма.

Теория БКШ оставила без ответа некоторые вопросы. На её основе оказалось невозможно решить главную задачу - объяснить, почему конкретные сверхпроводники имеют ту или иную критическую температуру. К тому же дальнейшие эксперименты с изотопическими замещениями показали, что из-за ангармоничности нулевых колебаний ионов в металлах существует прямое воздействие массы иона на межионные расстояния в решетке, а значит и прямо на значение энергии Ферми металла. Поэтому стало понятно, что существование изотопического эффекта не является доказательством фононного механизма, как единственно возможного ответственного за спаривание электронов и возникновение сверхпроводимости. Неудовлетворенность теорией БКШ в более поздние годы привела к попыткам создать другие модели, например, модель спиновых флуктуаций и биполяронную модель. Однако, хотя в них рассматривались различные механизмы объединения электронов в пары, к прогрессу в понимании явления сверхпроводимости эти разработки тоже не привели.

Сравнение вычисленных значений критических температур сверхпроводников с данными измерений.

Согласно одной из последних теорий, предложенной Б. В. Васильевым, спаривание электронов является необходимым, но недостаточным условием для существования сверхпроводящего состояния. Более того, какой конкретно механизм приводит к такому спариванию - не так уж важно. Важно, чтобы такой механизм существовал и был работоспособным во всем диапазоне температуры, где существует сверхпроводящее состояние.

Причина этого объясняется следующим образом: объединившись в пары, электроны создают бозоны, не объединенные в единый тождественный ансамбль. Их различают некоррелированные нулевые колебания. Для перехода бозонов в тождественное состояние необходимо упорядочить их нулевые колебания. По этой причине параметры, характеризующие механизм упорядочения нулевых колебаний в электронном газе, оказываются определяющими для свойств сверхпроводников. [9]


4. Применение сверхпроводимости

Flyingsuperconductor.ogg
Левитация YBCO в условиях сверхпроводимости

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa 2 Cu 3 O x, получены вещества, для которых температура Т c перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля H c 2. В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

З'єднання T c, K j c, А/см 2 (Тл), при 4,2 К B c, Тл (T, K)
NbTi 9,5-10,5 (3-8)10 4 (5) 12,5-16,5 (1,2)
12 (4,2)
Nb 3 Sn 18,1-18,5 (1-8)10 5 (0) 24,5-28 (0)
NbN 14,5-17,8 (2-5)10 7 (18) 25 (1,2)
8-13 (4,2)

Существуют детекторы фотонов на сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют также эффект Джозефсона, андреевское отражение и т. д. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) [10] для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУ и др.), использующими другие способы регистрации. Сравнительные характеристики наиболее распространенных детекторов ИК-диапазона, основанные не на свойствах сверхпроводимости (первые четыре), а также сверхпроводниковые детекторы (последние три):

Вид детектора Максимальная скорость счета, c −1 Квантовая эффективность, % R_{dk}, c −1 [11] NEP Вт /\sqrt{\text{Hz}} [12]
InGaAs PFD5W1KSF APS (Fujitsu) 1\cdot 10^6\approx 20\approx 6 \cdot 10^3\approx 10^{-17}
R5509-43 PMT (Hamamatsu) 9\cdot 10^6 1 1.6\cdot 10^4\approx 10^{-16}
Si APD SPCM-AQR-16 (EG\&G) 5\cdot10^6 0.01 \approx 10^{-16}
Mepsicron-II (Quantar) 1\cdot10^6 0.001 0.1 -
STJ 5 \ cdot10 ^ 3 60 - -
TES 5 \ cdot10 ^ 3 90 менше 10 ^ {-3} менше 10 ^ {-19}
SSPD 7 \ cdot10 ^ 7 30 менше 10 ^ {-3}6 \ cdot 10 ^ {-18}

Вихри в надпровідниках другого роду можна використовувати як осередків пам'яті. Подібне застосування вже знайшли деякі магнітні солітони. Існують і більш складні дво-і тривимірні магнітні солітони, що нагадують вихори в рідинах, тільки роль ліній струму в них грають лінії, за якими шикуються елементарні магнітики (домени).

Відсутність втрат на нагрівання при проходженні постійного струму через надпровідник робить привабливим застосування надпровідних кабелів для доставки електрики, тому що один тонкий підземний кабель здатний передавати потужність, яка традиційним методом вимагає створення ланцюга лінії електропередач з декількома кабелями багато більшої товщини. Проблемами, що перешкоджають широкому використанню є вартість кабелів і їх обслуговування - через надпровідні лінії необхідно постійно прокачувати рідкий азот. Перша комерційна надпровідна лінія електропередачі була запущена в експлуатацію фірмою American Superconductor на Лонг-Айленді в Нью-Йорку в кінці червня 2008 року [13]. Енергосистеми Південної Кореї збираються створити до 2015 року надпровідні лінії електропередачі загальною довжиною в 3000 км [14].


Примітки

  1. Dirk Van Delft AND Peter Kes The Discovery Of superconductivity - scitation.aip.org/journals/doc/PHTOAD-ft/vol_63/iss_9/38_1.shtml (Англ.) / / Physics Today. - 2010. - Vol. 63. - С. 38-43.
  2. Олексій Левін Надпровідність відзначає сторічний ювілей - elementy.ru/news/431549. Елементи.Ру (8 квітня 2011). Статичний - www.webcitation.org/619APufFh з першоджерела 23 серпня 2011.
  3. В. Л. Гінзбург, Е. А. Андрюшин Глава 1. Відкриття надпровідності / / Надпровідність - elementy.ru/lib/430825/430828 # 1. - 2-е видання, перероблене і доповнене. - Альфа-М, 2006. - 112 с. - 3000 екз. - ISBN 5-98281-088-6
  4. В. Л. Гінзбург, Е. А. Андрюшин Глава 5. Зірка надпровідності / / Надпровідність - elementy.ru/lib/430825/430832. - 2-е видання, перероблене і доповнене. - Альфа-М, 2006. - 112 с. - 3000 екз. - ISBN 5-98281-088-6
  5. Сивухин Д. В. 80. Надпровідники і їх магнітні властивості / / Загальний курс фізики. - М .: Наука, 1977. - Т. III. Електрика. - С. 333. - 688 с.
  6. WA Little and RD Parks, Physical Review Letters, Vol.9, page 9, (1962).
  7. M.Tinkham, Phys.Rev. 1963,129, p.2413
  8. М.Тінкхам, Введення в надпровідність. Атомиздат М.1980
  9. BVVasiliev Superconductivity AS A consequence Of An Ordering Of The Electron Gas Zero-point oscillations - super-conductivity.ru/pdf/PHYSC1251535.pdf / / Physica C. - 2011. - Vol. 471. - С. 277-284.
  10. SCONTEL-Products - www.scontel.ru / ps_reseivers.html
  11. Число спрацьовувань детектора при відсутності випромінювання
  12. NEP (Noise-equivalent power) - еквівалентна потужність шуму. Під еквівалентної потужністю шуму розуміють середньоквадратичне значення потужності флуктуацій світлового потоку, що падає на фотоприймач, при якому в фотоприймачі при відсутності власних шумів виникали б флуктуації струму, відповідні піднаглядним флуктуацій, обумовленим власним шумом.
  13. Monica Heger Superconductors Enter Commercial Utility Service - spectrum.ieee.org / energy / the-smarter-grid / superconductors-enter-commercial-utility-service. IEEE Spectrum. Статичний - з першоджерела 14 лютого 2010.
  14. Joseph Milton Superconductors Come Of Age - www.nature.com/news/2010/101008/full/news.2010.527.html. Nature - News. Статичний - web.archive.org/web/20101009200853/http :/ / www.nature .com/news/2010/101008/full/news.2010.527.html з першоджерела 9 жовтня 2010.

Література


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Високотемпературна надпровідність
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru