151372 (Надпровідники першого та друго роду), страница 3

6. Ефект Джозефсона.

Якщо два надпровідники з'єднати один з одним «слабким» контактом, наприклад якнайтоншою смужкою з діелектрика, через нього піде тунельний надпровідний струм, тобто відбудеться тунелювання надпровідних куперовских пар. Завдяки цьому обидві системи надпровідників зв'язано між собою. Зв'язок цей дуже слабкий, оскільки мала ймовірність тунелювання пар навіть через дуже тонкий шар ізолятора.

Наявність зв'язку приводить до того, що в наслідок процесу обміну парами стан обох систем змінюється в часі. При цьому інтенсивність і напрям обміну визначається різницею фаз хвилевих функцій між системами. Якщо різниця фаз = ₁ – _2, тоді з квантової механіки слідує

.

Енергії в точках по одну і іншу сторону бар'єру Е₁ і Е₂ можуть відрізнятися тільки якщо між цими точками існує різниця потенціалів U_s. В цьому випадку

. (1)

Якщо надпровідники зв'язані між собою з одного боку і розділені слабким контактом з іншою, то напруга на контакті можна викликати, міняючи магнітний потік усередині контура, що утворився. При цьому

.

Враховуючи, що квант потоку і потік Ф через контур може бути лише nФ₀, де n=0,±1,±2,±3... Джозефсон передбачив, що

, (2)

де I_s - струм через контакт, I_c - максимальний постійний джозефсонівский струм через контакт, - різниця фаз.

З (1), (2) слідує

.

Оскільки на фазове співвідношення між системами впливає магнітне поле, то надпровідним струмом контура можна управляти магнітним полем. В більшості випадків використовується не один джозефсонівский контакт, а контур з декількох контактів, включених паралельно, так званий надпровідний квантовий інтерферометр Джозефсона (НКВІД). Величина магнітного поля, необхідного для управління струмом, залежить від площі контура і може бути дуже мала. Тому НКВІДи застосовують там, де потрібна велика чутливість.

7. Високотемпературна надпровідність.

Розглянутий раніше механізм переходу в надпровідний стан заснований на міжелектронній взаємодії за допомогою кристалічної решітки. Як показують оцінки, для такого механізму надпровідності, звана фононним, максимальна величина критичної температури не може перевищувати 40 К.

Таким чином, для реалізації високотемпературної надпровідності (з Тc>90 К) необхідно шукати інший механізм кореляції електронів. Один з можливих підходів описаний підходів описаний американським фізиком Літтлом. Він припустив, що в органічних речовинах особливої будови можлива надпровідність при кімнатних температурах. Основна ідея полягала в тому, щоб отримати свого роду полімерну нитку з регулярно розташованими електронними фрагментами. Кореляція електронів, рухомих уздовж ланцюжка, здійснюється за рахунок поляризації цих фрагментів, а не кристалічної решітки. Оскільки маса електрона на декілька порядків менше маси будь-якого іона, поляризація електронних фрагментів може бути сильнішою, а критична температура вищою, ніж при фоновому механізмі.

У основі теоретичної моделі високотемпературної надпровідності, розробленої академіком В.Л.Гизбургом, лежить так званий механізм екзитонної взаємодії електронів. Річ у тому, що в електронній системі існують особливі хвилі - екситони. Подібно до фононів вони є квазічастинками, що переміщаються по кристалу і не пов'язаними з перенесенням електричного заряду і маси. Модельний зразок такого надпровідника є металевою плівкою в шарах діелектрика або напівпровідника. Електрони провідність, рухома в металі, відштовхує електрони діелектрика, тобто оточують себе хмарою надмірного позитивного заряду, який і приводить до утворення электронної пари. Такий механізм кореляції електронів передбачає вельми високі значення критичної температури (Тc=200 К).

8. Критичні стани.

8.1. Критичні магнітні поля.

Критичне магнітне поле в надпровідниках, характерне значення напруженості магнітного поля Н_к , вище якого виникаеє повне або часткове проникнення магнітного поля в надпровідник. При Н < Н_к магнітне поле в надпровідник не проникає, його екранує поверхневий надпровідниковий струм (ефект Мейсера).

В надпровідниках першого роду, до яких відноситься більшість чистих металів, речовина переходить в звичайнний, ненадпровідний стан при Н > Н_к (фазовий перехід першого роду). Відповідаюче цьому переходу критичне магнітне поле Н_к зв’язане з різницею вільної енергії нормальної F_н і надпровідної F_нп фаз співвідношенням:

В надпровідниках другого роду (зазвичай це сплави) проникнення магнітного поля починається з утворення вихрових ниток, в серцевині яких в основному зосереджене магнітне поле. При цьому речовина ще не втрачає надпровідних властивостей, і по ньому протікають струми, які часково екранують зовнішнє поле. Відповідне початку проникнення критичне магнітне поле Нк1 менше термодинамічного критичного поля Нк для цих речовин. Повне проникнення магнітного поля в надпровідник наступає при Н_к2 , яке може бути як менше, так і більше Н_к. В так званих жорстких надпровідниках, серед яких найбільш відомі сплави на основі ніобія, критичне магнітне поле H_k2>> H_k1. При значеннях поля H_k2 і H_k1

8.2. Критичний струм.

У надпровідників 1-го роду критичний струм I_c, при якому надпровідність руйнується, співпадає із струмом, що створює на поверхні зразка магнітне поле Н = Н_с (правило Сильсбі). Наприклад, для циліндрового зразка радіусу r магнітне поле на його бічній поверхні пов'язане з поточним струмом співвідношенням:

.

Для надпровідників другого роду правило Сильсбі непридатно. Критичний струм в надпровідниках 2-го роду незвичайно чутливий до структури зразка і у одного і того ж матеріалу може мінятися на декілька порядків величини.

8.3. Критична температура.

Розглянемо, в яких межах міняється Т_к . У елементарних надпровідників, включаючи елементи, що виявляють надпровідність при високому тиску, мінімальне значення Т_к має вольфрам: Т_к = 0,015 К, максимальне - ніобій: Т_к = 9,25 К. У сплавів Т_к має істотно вищі значення: V3Ga - 14,5 K, V3Si - 17 K, Nb3Sn - 18 K, Nb3Al – 8 К, Ge0,2 - 20,7 K. Рекордне значення Тс до 1986 року мало з'єднання Nb3Ge - 23,2 K. У нещодавно синтезованих вуглецевих кластерів - фулеренов, легованих калієм, K3C60, Т_с = 20 К. Прі легуванні фулеренов цезієм і рубідієм (CsC60 і PbC60) Тс підвищується до 30 К.

Цікаво відзначити, що до 1986 року існувало думка, що високотемпературна надпровідність (при температурах вище за температуру кипіння рідкого азоту) неможлива. Тому відкриття Беднорцем і Мюллером в 1986 році надпровідності у керамік La2 - xBaxCuО4 з Т_к = 35 K і La2 - xSrxCuO4 з Т_к = 40 K з'явилося справжньою сенсацією. Незабаром після цього відкриття були синтезовані кераміки YBa2Cu3O7 - x з Т_к = 90 K, Bi2Sr2CaCu2O8 з Т_к = 110 K, Tl2Ba2CaCu2O8 з Т_к = 125 K. У найостанніший час синтезовано з'єднання HgBa2Ca2Cu3O8 + x з Т_к = 135 К.

Безумовно, відкриття надпровідників з такими значеннями Тс є видатним досягненням, оскільки для охолоджування надпровідних систем стало можливим використовувати дешевий і відносно легко доступний рідкий азот замість дорогого гелію. Проте всі приведені значення Тс істотно нижчі за кімнатну температуру, і тому надзвичайно актуальна можливість синтезу нових надпровідників з ще вищими Т_к . Пошуком високотемпературних надпровідників зайнято зараз багато лабораторій миру.

Після відкриття високотемпературної надпровідності і до теперішнього часу в літературі з'являються повідомлення про спостереження надпровідності при температурах вище 140 До і навіть при кімнатній температурі: близько 310 К (біля + 40⁰ С). Правда, автори відзначають, що надпровідні фази, що володіють такими Т_к, є термодинамічно нестійкими і розпадаються при багатократному пониженні і підвищенні температури. Що можна сказати із цього приводу? Мабуть, гранично високим значенням Т_к = 135 К за нормальних умов володіє система HgBa2Ca2Cu3O8 + x . Це термодинамічно стійке значення. Дуже цікаво, що якщо це з'єднання піддати всесторонньому стисненню, то його Т_к оборотно підвищується до значення близько 160 К ! Це указує на можливість синтезу надпровідників з такими Т_к. Наскільки реально буде отримати термодинамічно стійкі надпровідники вищими Т_к, сказати важко, хоча отримання метастабільних фаз з Т_к = 300 К є, мабуть, можливим і представляє, на мій погляд, великий інтерес, оскільки свідчить про принципову можливість існування надпровідності при таких температурах.

9. Застосування надпровідності.

Питання різних застосувань надпровідності почали обговорюватися практично відразу ж після відкриття цього вражаючого явища. Ще Камерлінг-Оннес вважав, що за допомогою надпровідників можна економічним чином створювати сильні магнітні поля. Проте реальне використання надпровідності почалося лише в кінці 50-х-начале 60-х років. В даний час вже працюють надпровідні магніти практично будь-яких розмірів і будь-якої форми. Вони вийшли за рамки чистих наукових досліджень, і сьогодні їх широко використовують в лабораторній практиці, в прискорювальній техніці, медичних томографах, установках для керованої термоядерної реакції. За допомогою надпровідності стало можливим набагато підвищити чутливість багатьох видів вимірювань. Надпровідність стала не тільки технічною дисципліною, але і окремою галуззю промисловості. І, звичайно, відкриття високотемпературної надпровідності створило передумови до ширшого впровадження в повсякденну практику різних надпровідних пристроїв. Нижче ми приведемо для ілюстрації лише декілька прикладів.

Найбільше застосування надпровідники знайшли в даний час в області створення сильних магнітних полів. Сучасна промисловість проводить з надпровідників II роду різноманітні дроти і кабелі, використовувані для виготовлення обмоток магнітів. Переваги надпровідних магнітів достатньо очевидні. Не кажучи навіть про можливість отримання за допомогою надпровідників значно сильніших магнітних полів (зараз в чисто надпровідних системах досягнуті поля більше 20 Тл), ніж при використанні залізних магнітів, надпровідні магніти є і економічнішими. Так, наприклад, для підтримки в мідному соленоїді з внутрішнім діаметром 4 см і завдовжки 10 см поля в 10 Тл необхідна електрична потужність не менше 5100 кВт, яку потрібно повністю відвести водою, що охолоджує магніт. Це означає, що через магніт треба прокачувати не менше 1 м3 води в хвилину, а потім її ще охолоджувати в спеціальному пристрої (градирне). У надпровідному варіанті такий об'єм магнітного поля створюється досить просто, необхідне лише створення гелієвого криостата для охолоджування обмоток, що зараз є досить простій технічним завданням.

Дуже вигідно використовувати надпровідники в електротехніці і енергетиці. Адже в даний час втрати на тепло джоуля в проводах, що підводять, оцінюються величиною 30-40 %, тобто більш за третину всієї вироблюваної енергії витрачається дарма на «опалювання» Всесвіту. Якщо ж передавати електроенергію по надпровідних проводах з нульовим опором, то таких втрат не буде взагалі. Це все одно, що відразу більш ніж на третину збільшити вироблення електроенергії. На основі надпровідників можна створювати електродвигуни і генератори з високим ККД і іншими покращуваними робочими характеристиками. Піонером в області впровадження високотемпературних надпровідників в електромережу, що діє, стала Данія. З лютого 2001 року в Копенгагені в ділянку трифазної електромережі напругою 30 кВ встановлений надпровідний кабель завдовжки 30 м. В кінці цього ж року в детройті (США) увійшла до експлуатації ділянка електромережі завдовжки 120 м. В кінці 2001 року в Росії був успішно випробуваний досвідчений двигун з ВТНП потужністю 30 кВт.

Принадна перспектива використання ефекту механічного відштовхування надпровідника на транспорті. Мова йде про створенні поїзда на магнітній подушці, в якому будуть повністю відсутні втрати на тертя об колію дорогі. На початку 2003 року в Японії був випробуваний такий пасажирський поїзд. Склад з чотирьох вагонів «пролетів» по експериментальній трасі в префектурі Яманаси на північний захід від Токіо із швидкістю 502 км/год. Силою магнітного поля, що створюється високотемпературними надпровідниками, поїзд підвело на 10 см від землі і через дві хвилини опустило вже за 18,5 км. від стартового майданчика.