Что такое сверхпроводники

Сверхпроводимость — это особое состояние материала, в котором он перестает препятствовать прохождению тока. Эффект достигается за счет локального искажения кристаллической решетки вещества. Помимо нулевого сопротивления, сверхпроводники приобретают и другие удивительные свойства, например, начинают «парить» в магнитном поле.

Определение сверхпроводимости

Открытие феномена

Явление было открыто при изучении свойств ртути. В 1941 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес доказал, что при температуре 4.4 К она перестает сопротивляться электрическому току. В ходе экспериментов с экстремально низкими температурами было выяснено, что сверхпроводимостью обладают и другие металлы.

Открытие абсолютных проводников заложило основу под будущие исследования. Вскоре были обнаружены и другие свойства сверхпроводимости, например, эффект выталкивания магнитного потока из веществ при критической температуре.

Открытие сверхпроводимости

Физическое объяснение явления

Физики долгое время не могли объяснить, почему некоторые материалы при понижении температуры перестают сопротивляться току. Сегодня есть несколько мнений на этот счет, но явление все еще не изучено до конца. Рассмотрим самую распространенную теорию о том, что такое сверхпроводник.

Проще всего это сделать, отследив изменения, происходящие внутри вещества при понижении температуры. За точку отсчета возьмем комнатные условия. В этом случае атомы кристаллической решетки чистого металла подвижны и хаотично сталкиваются с электронами, затормаживая их прохождение.

Чем ниже опускается температура металла, тем колебаний становится меньше. Энергия электронов в таких условиях все еще рассеивается при столкновении с узлами кристаллической решетки, но уже не так сильно. Наблюдается падение сопротивления электрическому току.

Дальнейшее охлаждение ведет к тому, что ионы вещества практически не колеблются. Вот тут и происходит самое интересное: оставшаяся энергия ионов заставляет электроны с противоположным спином объединяться в так называемые куперовские пары.

Образование куперовской пары

Суммарное значение спина у куперовской пары равно нулю, поэтому она ведет себя как бозон: при сверхнизких температурах переходит в особое агрегатное состояние — конденсат Бозе-Эйнштейна. Все бозоны при этом размещаются на едином энергетическом уровне и перестают отличаться друг от друга. Куперовские пары объединяются и формируют один «супер атом», который беспрепятственно проходит сквозь вещество.

Объяснение сверхпроводимости

Классификация сверхпроводников

Сверхпроводники изначально — это абсолютно разные по своей структуре и характеристикам материалы. Свойства сверхпроводимости выявлены у 30 беспримесных веществ. Найдено около 1 000 сплавов с абсолютной проводимостью. Их классификация обширна. Выделяют виды сверхпроводников, исходя из температуры, химического состава, магнитных свойств.

Если классификация основывается на таком критерии, как температура, тогда сверхпроводники могут быть:

• Низкотемпературными. Переход в идеальное состояние происходит при температуре ниже 23.2 К (–249.95⁰ С) — это интерметаллиды (Nb₃Sn, Nb₃Ge, V₃Ga), ниобий, ниобий-титановые сплавы (Ti-Nb-Zr).
• Среднетемпературными. У них сопротивление исчезает в температурном диапазоне от 23.2 до 77 К (–196.15⁰ С), например, керамический состав La-Ba-Cu-O.
• Высокотемпературными. Составы, которые перестают сопротивляться току при 77 К (температура кипения азота) и выше, например, сплавы Bi-Ca-Sr-Cu-O и Hg-Ba-Ca-Cu-O.

График зависимости сопротивления от температуры

По составу:

• Чистые металлы: ртуть, свинец и другие.
• Аллотропы углерода: алмазы, графит, углеродные нанотрубки и так далее.
• Сплавы, например, ниобий-титан Nb-Ti или ниобий-цирконий Nb-Zr.
• Керамика: лантановая, иттриевая, висмутовая, диборид магния MgB_2, созданная на основе железа (BaFe₂As₂, SrFe₂As₂, CaFe₂As₂) и так далее.
• Соединения палладия — RbSr₂PdO₃, NdPdO₂ и другие палладаты.

По магнитным свойствам

• l рода — при достижении сверхпроводимого состояния полностью вытесняют магнитное поле из своего объема. Эти материалы зачастую низкотемпературные и имеют малую критическую плотность тока. Чаще всего это сверхпроводящие сплавы, такие как Nb-Ti.
• II рода — эти проводники при достижении критической температуры все равно могут пропускать магнитное поле внутрь своего вещества. Проникающие в них квантовые потоки называют вихрями Абрикосова. Соединения этого типа обладают высокой критической плотностью тока и относятся к средне- и высокотемпературным сверхпроводникам. Примером такого материала может служить керамическое соединение MgB₂.

Сверхпроводники первого рода теряют свою сверхпроводимость в поле с индукцией меньше 0.1 Тл. Для сверхпроводников 2-го рода этот показатель достигает нескольких десятков тесла.

Фазовые диаграммы

Свойства сверхпроводников

Наиболее весомые свойства сверхпроводников:

• Электрическое сопротивление при достижении критической температуры перехода падает до ноля.
• Эффект Мейснера — сверхпроводник выталкивает магнитное поле.
  

  Эффект Мейснера
• Эффект Литтла-Пракса — температура перехода материала в сверхпроводимое состояние не постоянна, она колеблется в зависимости от плотности магнитного потока в котором он находится.
• Для полного исчезновения сопротивления сверхпроводникам первого типа недостаточно достигнуть критической температуры, значение магнитного поля тоже должно превысить некоторое критическое значение.
• Эффект Лондона. Если сверхпроводник вращается, то он продуцирует магнитное поле. Ось вращения такого объекта абсолютно точно совпадает с возникающим магнитным моментом.
  

  Момент Лондона
• Изотопический эффект — чем легче изотоп вещества, тем выше температура его перехода в сверхпроводящее состояние.

Технологии изготовления

Сверхпроводники довольно хрупкие. При их изготовлении методы механической деформации не применяются. Основные способы получения идеальных проводников основаны на использовании диффузионных процессов.

Существует немало технологических методик. Рассмотрим только самые популярные из них:

• Метод Кюнцлера или «порошок в трубке». В длинную ниобиевую трубочку помещают смесь порошков олова и ниобия, затем ее вытягивают и запекают при 1 000⁰ С. «Начинкой» этой сверхтонкой трубки становится вещество NbSn₃. Процесс аналогичен и для таких соединений, как V₃Ga, Nb₃(АlGе), Nb₃ Этот метод не позволяет добиться хорошей равномерности сверхпроводящего волокна.
• PIT-технология. Интерметаллический порошок Nb₂Sn засыпается в омедненную ниобиевую трубку. Сборка вакуумируется, заваривается и запекается под давлением при 650⁰ С. Диаметр готового проводника составляет всего 50 нм, что положительно сказывается на уменьшении гистерезисных потерь.
  

  Технология изготовления
• Метод газотранспортных реакций предусматривает осаждение паров, например, хлоридов на протягиваемую стальную или ниобиевую ленту при 700⁰ С. При дальнейшем нагреве хлориды вступают в восстановительную реакцию с образованием сверхпроводящего остатка.
• Метод жидкофазной диффузии. На ниобиевую фольгу наливается жидкое олово. Сверхпроводящий материал образуется при повышении температуры до 1 200⁰ С.
• Метод твердофазной диффузии. Закаленный твердый интерметаллид подвергается заключительному нагреву до высокой температуры с последующим быстрым охлаждением.

Область применения

Материалы, которые не имеют электрических потерь, очень перспективны, поэтому используются практически во всех сферах человеческой деятельности.

Медицина

Применение сверхпроводников при построении аппаратов МРТ позволяет создавать электромагнитные поля силой 3 и более тесла. Это повышает детализацию медицинских снимков и позволяет врачам отслеживать даже самые незначительные изменения в тканях пациента.

Благодаря сверхпроводникам лучевая терапия является более безопасной и эффективной. Стало возможно облучать лишь конкретные пораженные опухолью ткани. Из-за этого увеличилась и рекомендованная для пациентов доза облучения.

Энергетика

Магнитные генераторы, в которых используются идеальные проводники, эффективно преобразуют механическую энергию и снижают количество электрических утечек. Применение сверхпроводящих магнитов позволяет хранить добытую электроэнергию практически без потерь.

Электроника

Детекторы, созданные на основе сверхпроводящих материалов, фиксируют даже единичные фотоны. Сверхпроводящие квантовые точки лежат в основе создания суперкомпьютеров с огромной вычислительной мощностью.

Транспорт

Из-за того, что при достижении критической температуры сверхпроводники l типа выталкивают магнитное поле и буквально левитируют в нем, стало возможным уменьшать и физическое трение. Уже разработан транспорт на магнитной подвеске. Скорость такого локомотива достигает 620 км/ч. На этом же эффекте работают магнитные тормоза повышенной надежности.

Транспорт на магнитной подвеске

Ученые с каждым годом находят все новые способы повышения критической температурной точки фазового перехода. Можно смело сказать, что с появлением новых высокотемпературных сверхпроводников наш мир и технологии изменятся до неузнаваемости.

Видео по теме