[5] Сверхпроводники (Материалы с сайта Арсеньева)

5.2. Основные параметры сверхпроводящих материалов

5.2.1. Сверхпроводящее состояние материалов

С
верхпроводимость (СП)—свойство материалов, выража­ющееся в том, что их электрическое сопротивление постоян­ному току обращается в нуль скачком при охлаждении ни­же определенной критической температуры T_с. Скачкообраз­ное падение сопротивления до нуля ртути при понижении температуры до 4,15 К впервые обнаружил голландский фи­зик Камерлинг-Оннес в 1911 г. (рис. 5.2.1).

Рис.5.2.1. Переход ртути из нормального состояния в сверхпроводящее.

Отсутствие сопротивления в сверхпроводящем состоянии приводит к возникновению незатухающих токов в замкнутом СП кольце, т.е. к отсутствию диссипации энергии. Отметим, что если ток со временем затухает, то сопротивление не ис­чезло полностью. Определив время затухания тока в образ­це, можно рассчитать сопротивление образца по формуле I(t)=I₀e^-Rt/L, где L — индуктивность образца. Измерения то­ка можно проводить обычными приборами для измерения то­ков или использовать специальное чувствительное устройство, состоящее из двух СП колец, одно из которых неподвижно, а второе укрепляется на торсионном подвесе. В обоих СП коль­цах индуцируются незатухающие токи (например, подносит­ся постоянный магнит). Определив по углу закручивания нити вращающий момент, возникающий при взаимодействии токов в СП кольцах, можно определить время затухания тока и сопротивление образца. Подобные измерения показали, что в СП состоянии материал, например, может обладать удельным сопротивлением на 17 порядков меньше удельного сопротивления меди. Время, требуемое для полного затуха­ния тока в таком СП состоянии, составляет не менее 105 лет. По последним данным электропроводность сверхпроводников на постоянном токе составляет не менее 10²⁵Ом^-1м^-1.

Камерлинг-Оннес вместе с сотрудниками установил, что существует критическое магнитное поле (В_с), выше которого СП состояние разрушается. При Т = 0 электропроводность бесконечно велика только до некоторой предельной частоты электрического тока, а при конечной температуре (ниже Т_с) небольшие потери существуют на переменном токе на всех частотах. Для большинства СП материалов СП полностью исчезает при частотах, превышающих 10⁹ Гц.

В 1933 г. В. Мейсснер и Р. Оксенфельд показали, что СП состояние обладает еще одним важным свойством: независи­мо от условий проведения эксперимента (т.е. независимо от того, было ли магнитное поле включено до или после перехо­да материала в СП состояние) магнитное поле всегда вытал­кивается из объема сверхпроводника. Это явление получило название эффекта Мейсснера—Оксенфельда. В СП магнит­ная индукция В = 0, магнитная проницаемость =0, а магнитная восприимчивость =-1, т. е. СП является «идеаль­ным диамагнетиком». Эффект Мейсснера можно продемонст­рировать на опыте с «парящим магнитом». В СП чашечку при Т>Т_с кладется постоянный магнит, а затем охлаждается вся система. При переходе в СП состояние произойдет вы­талкивание магнитного потока из сверхпроводника, магнит будет отталкиваться от СП и поднимется на некоторую вы­соту. Качественное объяснение эффекта Мейсснера состоит в том, что при В< В_с в приповерхностном слое сверхпровод­ника появляется круговой незатухающий ток такой величины, что магнитное поле этого тока компенсирует внешнее поле в объеме СП. Взаимодействие этого тока и внешнего магнит­ного ноля постоянного магнита приводит к тому, что магнит отталкивается от СП как от диамагнетика.

Магнитное поле не может быть вытеснено из всего объ­ема СП вплоть до самой поверхности, так как это означало бы, что на поверхности индукция магнитного поля скачком падает от В до 0. Чтобы обеспечить такой скачок поля, необходимо иметь на поверхности бесконечную плотность тока, что невозможно. Существует верхний предел тока в СП, на­зываемый критическим током (I_с). Для классических СП значения критической плотности тока j_c составляют 10¹⁰ — 10¹¹ А/м², для современных ВТСП — 10⁷—Ю¹⁰ А/м², Ис­чезновение СП свойств при пропускании через СП достаточно сильного электрического тока связано с действием на СП магнитного поля этого тока, разрушающего СП состояние (В> В_с) (объяснение этого эффекта дано в п.5.2.5).

Существование эффекта Мейсснера в СП позволяет рас­сматривать их как предельный случай диамагнетика, а не как предельный случай проводника с бесконечно большой электропроводностью. Повеление идеального проводника в магнитном поле существенно отличается от поведения СП. Если внести идеальный проводник в магнитное поле, в нем будут наводиться поверхностные токи, которые начнут про­тиводействовать внешнему полю (согласно закону электро­магнитной индукции). Однако если внести проводник в маг­нитное поле до того, как он станет «идеальным», т.е. при Т>Т_с., то магнитное поле не изменится при охлаждении проводника до T_с (нет наведенных токов, так как нет изменений магнитного потока). При выключении магнитного поля дол­жны возникнуть незатухающие токи, которые будут поддер­живать магнитное поле согласно правилу Ленца. Таким об­разом, состояние охлаждаемого «идеального» проводника будет зависеть от предшествующих состояний и переход от нормального состояния проводника к «идеальной проводимо­сти» будет необратимым.

Совершенно иная ситуация возникает в СП. Выталкива­ние магнитного потока имеет место и при охлаждении образ­ца до Т_с в магнитном поле, и при включении магнитного по­ля уже после того как образец был охлажден до Т_с, что объясняется возникновением в приповерхностном слое кругового незатухающего тока такой величины, что магнитное поле этого тока компенсирует внешнее поле в объеме СП, Выклю­чение внешнего поля наводит ток противоположного направ­ления, который полностью компенсирует первоначальный ток: исчезновение тока имеет место и при нагреве образца до Т>Т_с. Благодаря эффекту Мейсснера переход между сверх­проводящим и нормальным состояниями является обрати­мым.

В то же время следует отметить, что представление СП о качестве «идеального диамагнетика» является относительным. Точнее было бы назвать СП квазидиамегнетиком. Равенство нулю магнитного поля в объеме СП обусловлено тем, что в СП внешнее магнитное поле экрани­руется поверхностными макротоками, возникающими в СП при включении магнитного поля или при охлаждении СП в магнитном поле до T_с. В «идеальном» же диамагнетике В=0 потому, что во всем объеме индуцируются диамагнитные моменты, обусловленные микротоками, направленные проти­воположно внешнему полю (вектор намагниченности J=-Н).

5.2.2. Применения сверхпроводников. Открытие высокотемпературных сверхпроводников

В настоящее время проектируются и уже работают сверхпроводящие электромагниты (соленоиды) на основе низко­температурных СП. Такие соленоиды со СП обмоткой позво­ляют получать сильные однородные магнитные поля в до­вольно больших объемах В20—30 Т). Такие магниты при­меняют для научных исследований в области физики твердо­го тела, для исследования структуры органических молекул в биологии, в физике высоких энергий. В современных уско­рителях элементарных частиц используют СП магниты. Сверхпроводники можно использовать для создания сверхпроводящих электродвигателей мощностью в несколько мегаватт, для накопителей энергии, магнитных сепараторов, магнитной подвески поездов, для управляемых термоядерных реакций, для создания магнитных экранов. Представляется особо перспективным применение сверхпроводящих кабелей для передачи электрической энергии. При использовании сверхпроводников в указанных областях науки и техники тре­буются высокие критические параметры Н_с и j_c, так как зна­чения токов, протекающих по СП, могут быть велики (это так называемая силовая сверхпроводниковая техника). Но СП могут использоваться и в слаботочной измерительной тех­нике и микроэлектронике. На основе СП созданы квантовые интерференционные магнитометры — СКВИДы (сокращенно по первым буквам английского названия), используемые для измерения очень слабых магнитных полей: В10^-15Т. СП ис­пользуют в качестве приемников СВЧ-излучения. Это боло­метры и приборы, в которых использован эффект Джозефсона. Задачей СП микроэлектроники (ила СП криоэлектроники) является разработка приборов малой мощности и способов их интеграции в микросхемы. Наиболее перспективным является одновре­менное применение в микросхемах сверхпроводников и полу­проводников. Интенсивное развитие СП микроэлектроники возможно только при создании СП пленочных материалов с высокими значениями критической температуры.

Ограничения применения СП в силовой технике до насто­ящего времени также были связаны главным образом с низ­кими значениями Т_с, для получения которых был использован дорогостоящей жидкий гелий. Другими ограничениями явля­ются невысокие критические магнитные поля и токи для большинства известных СП материалов. Поэтому усилия исследователей в течение нескольких десятилетий были направ­лены на повышение критических параметров, прежде все­го Т_с.

Таблица 5.2.1

Параметра ВТСП

С открытием ВТСП на основе соединений в системах La—Сu—О(T_c,=35 К) и La—Ва—Сu—0(T_c=92 К) (1986-1987 гг.) начался новый этап интенсивных исследований в области сверхпроводимости. Удалось повысить Т_c до 110 К в системе Bi— Sr—Са—Сu—О и до 125 К в системе TI—Са—Ва—Сu—О. Для ВТСП характерны и довольно вы­сокие верхние критические поля (B_c2 100—200Т), соответст­вующие полному переходу в нормальное состояние, однако нижние критические поля, соответствующие, началу перехода из СП в нормальное состояние, малы— B_c1 10^-2Т (табл. 5.2.1).

Низкие В_c1, а также низкие критические токи (плотность тока j_c. 10⁷—10⁸А/м² для керамических образцов) пока ог­раничивают их применение в энергетике. В настоящее время исследователи в разных странам ведут поиск новых материалов, имеющих высокие критические параметры, одновремен­но высокие и Т_с и В_с и j_с. Основной задачей является полу­чение монокристаллических и текстурированных ВТСП мате­риалов (для которых величина j_с выше, см. п. 5.2.4) достаточ­но больших размеров и обладающих хорошими механически­ми характеристиками.

Максимальная критическая плотность в керамическом СП проводе в настоящее время составляет 4*10 А/м² при 77 К. На пленочных образцах YBa₂Cu₃O₇ плотность тока достига­ет 10¹⁰ А/м² (в направлении, перпендикулярном оси с), что уже приемлемо для практического использования.

Если использование ВТСП в энергетике — дело будуще­го, то в криоэлектронике ВТСП уже успешно применяются. В 1987 г. на основе ВТСП керамики были созданы СКВИДы, работающие при 77 К, чувстви­тельность их ниже чувствительности таких приборов при 4,2 К, (из-за тепловых шумов при 77 К), однако достаточна для многих измерений. На основе ВТСП созданы магнитные, экраны, работающие при температуре жидкого азота. Экра­нировка исследуемого объекта от внешних магнитных полей достигает 10⁷. На основе тонкопленочных ВТСП разрабаты­ваются различные приемники СВЧ-излучения.

5.2.3. Квантовая природа сверхпроводящего состояния. Микроскопическая теория сверхпроводимости