История становления и развитие научных исследований в области сверхпроводимости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Понятие и открытие сверхпроводников

2. Эффект Мейснера

3. Высокотемпературная сверхпроводимость

4. Сверхпроводящий бум

5. Применение сверхпроводящих материалов

Заключение

Список использованных источников



Введение

В электротехнике все вещества по электропроводности можно разделить на четыре группы - диэлектрики, полупроводники, проводники и сверхпроводники.

Диэлектрики - это вещества, которые существенно препятствуют протеканию через них электрического тока ввиду высокого удельного сопротивления, часто превышающего 108 Ом·м. Полупроводники - это вещества, удельное сопротивление которых зависит от внешних условий, например, флюктуаций температуры, изменений интенсивности облучения световым потоком и прочего. Проводники - это материалы, которые почти не препятствуют протеканию по ним электрического тока благодаря низкому удельному сопротивлению, обычно не превышающему 10-5 Ом·м.

Сверхпроводники - это материалы, в которых при охлаждении до некоторой критической температуры резко уменьшается удельное сопротивление до нуля, а также благодаря своим свойствам способны выталкивать магнитное поле из своего объема.

В электроэнергетике существует большая проблема - на пути передачи электроэнергии возникают значительные потери электрической мощности, причем с увеличением расстояния передачи, эти потери растут. Огромной практической ценностью сверхпроводников является в отсутствии в них потерь электрической энергии при протекании электрического тока.

Конечно, для их широкого применения необходимо решить множество важных задач, одной из основных является то, что сверхпроводящее состояние возникает при достаточно низкой температуре. Для большинства веществ критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние близка к абсолютному нулю. Долгое время сверхпроводники можно было использовать только при температуре жидкого гелия (-268,8 °С), что позволило создать ускорительное оборудование и магнитно-резонансные томографы. Однако в полной мере использование их свойств не представляло возможным. Конечно с открытием Камерлиг-Онесса в 1911 году сверхпроводников научный мир достиг многого, но наиболее важным событием, является открытие высокотемпературной сверхпроводимости на основе купратов, открытых Карлом А. Мюллером и Йхоннесом Г. Беднерцом. Благодаря их открытию сверхпроводимости, главными компонентами которой являются медь-кислород, критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние достигла -108 °С, что позволило ученым расширить круг применения явления сверхпроводимости.

В данной работе рассматривается история становления и развитие научных исследований в области сверхпроводимости, а также рассмотрены вопросы - как и в какой степени возможно использование явления сверхпроводимости.



1. Понятие и открытие сверхпроводников

Сверхпроводимость - это особое свойство вещества обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижение данного материала определенной, так называемой, критической температуры. С другой стороны, сверхпроводимость можно рассматривать как квантовое явление, которое характеризуется эффектом Мейснера [1-2].

Из определения сверхпроводимости возникает вопрос, а при какой же температуре материал может перейти в сверхпроводящее состояние. Известно, что Уильям Том Кельвин проектируя свою шкалу писал о необходимости ее создания для определения нулевой точки, которая будет соответствовать абсолютному нулю - предельной степени холода (то есть создание той отметки температуры ниже которой не существует) [3]. Ценой деления данной шкалы оставался градус Цельсия. Перерасчет для данной шкалы являлся достаточно простым и понятным:

До определенного времени ученые не могли получить такие низкие значения температуры. Открытие Хейке Камерлинг-Оннеса в 1908 году жидкого гелия, позволило ему достичь рекордно низкой температуры 0,9 К [4-5]. Но его основной целью на тот момент не было достичь абсолютного нуля, для него было важно изучение свойств материалов при сверхнизких температурах, в том числе исследование вязкости сжиженных газов, спектры поглощения элементов и магнитные свойства веществ.

В 1911 году его основным направлением стало исследование электрического сопротивления сверхчистых металлов при очень низких температурах. До этого времени не было известно, как будет меняться электрическое сопротивление материалов, при сверхнизких температурах. Существовали некоторые прогнозы о том, что электрическое сопротивление будет линейно уменьшаться при достижении температуры нуля, будет оставаться постоянной при достижении какого-то уровня сопротивления или начнет увеличиваться в какой-то момент из-за механизмов рассеяния электронов. Многие ученые все же склонялись к мнению, что при очень низких температурах металлы должны стать диэлектриками. То есть свободные электроны настолько замедлят свое движение, что «приклеятся» к ионам и не смогут переносить электричество. Сам же ученый сделал предположение, что сопротивление должно стремиться к нулю, потому что ионы прекращают колебательное движение и «не мешают» двигаться свободным электронам. Понимая, что в таком материале, как платина есть малые примеси, он решил проверить ртуть, самый очищенный металл, который у него был. Камерлинг_Оннес произвел измерение электрического сопротивления чистой ртути. 8 апреля 1911 года группа Хейке Камерлинг Оннеса, с ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом проверяли работу нового криостастата (устройство для поддержания низких температур в данном объеме). Сначала было принято решение только заправить жидким гелием, но потом был установлен газовый термометр и два образца из золота и ртути для измерения их удельного электрического сопротивления. Измерив электрическое сопротивление материалов при температуре 4,3 К, решили уменьшить давление в криостате над гелием, но это привело лишь к отрицательным результатам - гелий начал быстро испаряться, и его температура снизилась до 3 К. Эксперимент длился уже 9 часов, и можно уже было сделать выводе о его неудаче. Однако при повторном измерении электрического сопротивление ртути, его значение оказалось равным нулю.

В тот день определенного значения критической температуры перехода ртути в сверхпроводящее состояние так и не смогли выяснить (экспериментальная группа пока не решилась ставить себе такую задачу). Однако уже через некоторое время в эксперименте 11 мая Камерлинг-Оннес и его команда сумели выявить температуру перехода ртути в сверхпроводящее состояние. Построенная функция изменения электрического сопротивления ртути от температуры позволила выявить, что электрическое сопротивление ртути резко упало при достижении температуры 4,2 К. На рисунке 1 представлено воспроизведение зависимости электрического сопротивления от температуры для чистой ртути, полученное Камерлинг-Оннесом [6-8]. Проведя данный эксперимент, он понял, что ниже температуры 4 К ртуть перешла в новое состояние, которое он назвал как «супрапроводимость». Никто не смог предсказать, что в результате опытов он получит замечательный, уникальный феномен, который не оставляет в покое ученых и по сей день.

Рисунок 1 - Воспроизведение оригинальной полученной зависимости электрического сопротивления ртути от температуры

За исследования «свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия» Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике [8]. Данные результаты позволили открыть новый класс проводников, которые назвали как сверхпроводники.

Открытие уникальных свойств материалов - переходить в сверхпроводящее состояние при достижение определенной температуры радикально повлияло на научный мир. Однако оставалось много вопросов - существуют ли материалы, у которых температура перехода в сверхпроводящее состояние намного выше, и вообще, как можно использовать на практике данное состояние вещества.

Кроме введения такого понятия как «сверхпроводник», для данных материалов было выделено еще одно понятие, такое как критическая температура. По рисунку 1 видно, что сверхпроводимость возникает не экспоненциально, а внезапно - как бы скачком при достижение определенного уровня температуры. Температура Tc, при которой происходит этот скачок электрического сопротивления, называется критической. При детальном исследование данного графика (рисунок 2) видно, что данный переход можно разбить на несколько интервалов температур. На рисунке представлен график зависимости удельного электрического сопротивления от температуры для более чистого образца и образца с небольшим количеством примесей. Указанная критическая температура обозначается на середине перехода, когда электрическое сопротивление падает наполовину по сравнению с нормальным значением. Критическая температура для каждого вещества своя.



Рисунок 2 -Зависимость электрического сопротивления от температуры для образцов разной чистоты

Образец 1 - более «чистый»; Образец 2 - более «грязный» (с примесями)

Tc - критическая температура; Tcо - температура начала падения электрического сопротивления; Tce - температура конца падения электрического сопротивления (установление определенного значения)

В дальнейшем открытия в данной области следовали одно за другим. Так, например, в 1912 году открыли еще два сверхпроводника - свинец и олово. На рисунке 3 приведена диаграмма некоторых открытых в те времена сверхпроводников, с указанием температуры и года опубликования.



Рисунок 3 - Материалы, критическая температура Tc (К), год опубликования статьи с обнаружением сверхпроводимости

В 1914 понимают, что сильное магнитное поле способствует разрушению сверхпроводимости. В то же время проводят эффективный эксперимент со сверхпроводящим кольцом из свинца - в данном кольце кратковременно индуцировали ток, а потом наблюдали его циркуляцию на протяжении нескольких часов без малейшего затухания (при этом кольцо становилось магнитом).

Стоит также отметить, что Камерлинг-Оннес не только доказал существование сверхпроводимости ртути, олова и свинца, но и проводил исследования на сплавах, доказав, что сплавы ртути с золотом и оловом также могут переходить в сверхпроводящее состояние. С тех пор работа по сверхпроводимости только росла, приведя к исследованию и открытию все новых и новых материалов, расширяя класс сверхпроводников.

2. Эффект Мейснера

Исследование сверхпроводимости материалов развивалось очень медленно. Для наблюдения данного явления необходимо было охлаждать металлы до низких температур, а создание таких условий не являлось таким простым. На протяжение нескольких лет во многих странах велись исследования по открытию новых сверхпроводников, в том числе велись попытки увеличения критической температуры.

Но особых продвижений по-настоящему смогли достичь только спустя 22 года - немецкие физики Вальтер Фриц Мейснер и Роберт Оксенфельд в 1933 году. Благодаря их исследованиям было открыто еще одно уникальное свойство сверхпроводников - вытеснение им линий магнитного потока из своего объема, то есть сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.

Эффект Мейснера - это явление полного вытеснения магнитного поля при переходе в сверхпроводящее состояние из объема проводника. В толще сверхпроводника магнитное поле ослабляется, снижаясь до нуля [9-10]. Это свойство не показывало нам, что сверхпроводник обладает нулевым сопротивлением. Это скорее что-то более фундаментальное, что подтверждает, что сверхпроводимость - это действительно термодинамически стабильное состояние. Из наблюдаемого эксперимента сразу же стало понятно, что сверхпроводимость может быть разрушена с помощью внешнего магнитоного поля. Благодаря этому свойству можно утверждать, что сверхпроводимость и магнетизм являются как бы противоположными свойствами. На рисунке 4 представлен постоянный магнит, левитирующий над сверхпроводящей чашечкой на расстояние около 1 см, ножками расположенной в парах жидкого гелия (для поддержки сверхпроводящего состояния).



Рисунок 4 - Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)

При нахождении сверхпроводника в постоянном магнитном поле, в момент перехода его в сверхпроводящее состояние (помещение сверхпроводника в сверхнизкие температуры) происходит полное вытеснение магнитного поля из объема. Благодаря существованию этого свойства сверхпроводник отличается от идеального проводника (при нулевом сопротивлении, индукция магнитного поля остается постоянной).

Благодаря данному явлению было обнаружено, что для доказательства сверхпроводимости в материале необходимо наблюдать по меньшей мере два главных свойства:

1. Электрическое сопротивление сверхпроводников нулевое;

2. Полное вытеснение из сверхпроводника магнитного поля.

Эффект Мейснера открывал такие возможности, благодаря которым возможно было создание сверхэффективных систем производства накопления и передачи электроэнергии на достаточно большие расстояния, в том числе создание сверхмощных генераторов, сверхбыстрых электронных вычислительных машин, сверхчувствительных устройств диагностики, создание сверхбыстрого транспорта, на основе магнитной подушке, а также создание ускорителей элементарных частиц.

Эффект Мейснера (так и было названо это явление) стал одним из очень важных открытий для сверхпроводимости, поскольку благодаря данному свойству, ученым стало понятно, что сверхпроводимость -- это квантово-механическое явление. Если бы явление сверхпроводимости заключалось только в исчезновении (выталкивание) электрического сопротивления из объема проводника, то ее можно было бы описать законами классической физики.

3. Высокотемпературная сверхпроводимость

Мода в сфере интеллектуальных исследований является важным аспектом в научном мире и играет не меньшую роль, чем в сфере промышленности потребительских товаров. Существуют модные направления исследований (например, с некоторых пор приставка «нано» является очень популярной), а существуют и такие, которые считаются малоперспективными. И этот факт является вполне рациональным, для того чтобы проводить исследования, необходимо располагать определёнными денежными (материальными) средствами, а для этого необходимо убедить людей, что потенциальные результаты этих исследований будут положительно воздействовать на их жизнь. Ну и конечно, для этого необходимо самому верить в то, что ты делаешь это правильно.

После открытия эффекта Мейснера, долгое время исследование сверхпроводимости не давали мощных результатов, хотя и было важным для теории и развития явления сверхпроводимости:

· Во-первых, все ученые пытались объяснить явление сверхпроводимости с теоретической точки зрения. И первое обоснованное теоретическое объяснение данного явления было опубликовано в 1935 году Фрицем Лондоном и Хайнцем Лондоном. Более общая теория сверхпроводимости была создана в 1950 году Львом Давидовичем Ландау и Виталием Лазаревичем Гинзбургом. Данное теоретическое объяснение получило достаточно широкое распространение и стало называться как теория Гинзбурга-Ландау. Однако выдвинутые теории были феноменологического характера и не давали полного анализа для детального исследования механизмов явления сверхпроводимости.

· Объяснения на микроскопическом уровне явления сверхпроводимости впервые было получено в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Джона Шриффера и Леона Купера. Это исследование стало возможно только после открытия квантовой физики, и главным элементом теории «Бардина, Купера, Шриффера» (БКШ) являлись «куперовские пары электронов». И на сегодняшний день, данная теория является доминирующей для объяснения явления сверхпроводимости.

· Далее с расширением класса сверхпроводников, появляется классификация, которая разделяет их на два больших класса (по отклику на магнитное поле): сверхпроводники I рода - ртуть, олово, свинец и другие и II рода -к ним в большинстве относятся сплавы разных металлов, среди чистых металлов можно выделить ниобий. Сверхпроводники I рода имеют единственное значение магнитного поля (Hc), выше этого значения они будут терять свойства сверхпроводимости. Для сверхпроводников II рода, характерно наличие двух критических значений магнитного поля. В исследование сверхпроводимости II рода особую роль сыграли работы Льва Васильевича Шубникова в 1930-е годы и Алексея Алексеевича Абрикосова в 1950_е.

· Открытие в 1950_х годах имело важное значение для практического применения явления сверхпроводимости в мощных электромагнитах, которые способны выдержать сильное магнитное поле и пропускать большие плотности тока. Например, в 1960 году Джоном Кюнцлером был открыт материал станнид триниобия Nb3Sn. Созданная из этого материала проволока способна при температуре 4,2 К и при величине магнитного поля 8,8 Тл, пропускать электрический ток плотностью до 100 кА/смІ.

· Явление, при котором происходит протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, и вследствие разделение на два сверхпроводника получило название эффект Джозефсена, благодаря открытию в 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном.

Однако важной фундаментальной преградой для дальнейшего развития сверхпроводимости оставалась крайне низкая температура перехода материала в сверхпроводящее состояние. С момента открытия сверхпроводимости значение критической температуры Тс удалось повысить до 23,2 К на интерметаллиде Nb3Ge. Но даже и это повышение значения критической температуры не позволяло использовать более дешевый хладагент, а все еще требовался более дорогой и крайне капризный охладитель - жидкий гелий.

Прогресс ученых в создании материалов с более высокой критической температурой Тс становился большой проблемой. Британским королевским обществом была учреждена премия (десять тысяч фунтов стерлингов) за увеличение хотя бы на один градус критической температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние. Однако существовавшие общепризнанные теории явления сверхпроводимости не только не направляли ученых-исследователей на разрыв температурного барьера, а наоборот, создавали все большее отрицание в невозможность существования высокотемпературной сверхпроводимости.

Спустя 75 лет, после открытия явления сверхпроводимости, 18 октября 1986 года выходит публикация ученых из Швейцарии Йоханнеса Георга Беднорца и Карла Александра Мюллера в журнале "Zeitschrift fur Physik" «О способности керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La2-xBaxCu04) переходить в сверхпроводящее состояние при критической температуре Тс в 30 К» [11].

История открытия нового класса сверхпроводников началась зарождаться еще в 1978 году. В Цюрихе в исследовательской лаборатории в течение нескольких десятилетий основным направлением научной деятельности являлись непроводящие оксиды. Один из ведущих ученых этой лаборатории был автор выше указанной статьи - Карл Александр Мюллер. Его внимание к высокотемпературной сверхпроводимости, критическая температура перехода которых находилась в области 100 К, было следствием изучения работ по металлическом водороду Т. Шнейдера и Э. Штоля.

В тоже время Йоханнес Георг Беднорц (второй автор статьи) работал над своей докторской диссертационной работой в Цюрихе в Высшей технической школе (лаборатория физики твердого тела). Основной целью на тот момент было исследование и проведение экспериментов с перовскитными твердыми растворами при сверхнизких температурах воздействия, в том числе изучение их структурных и сегнетоэлектрических свойств. Исследуемые им вещества характеризовались огромным разнообразием свойств, которые подвержены сильному изменению при изменении состава материала. Основной материал его изучения был SrTiО3, который является сверхпроводником (при частичном удаление кислорода из решетки) с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние Тс=0,3 К. На тот момент эта температура была слишком низка для того, чтобы вызвать сильный эффект у научного мира в «сверхпроводящих» исследованиях. Но изучение этого вопроса, не являлось таким безнадежным: в ходе проведенных экспериментов оставался открытым вопрос почему сверхпроводимость исследуемого материала вообще возникает, так как плотность носителей заряда слишком низкая по сравнению со сверхпроводниковым материалом оксидом ниобия NbO, в котором значение плотности сравнимо с плотностью в нормальном металле.

Из доклада Йоханнеса Беднорца:

«Толчком, положившим начало моей заинтересованности в явлении сверхпроводимости, явился в 1978 г. телефонный звонок Генриха Рорера, руководителя, вновь принятого на работу в ИБМ Герда Биннига. Имея опыт работы со сверхпроводимостью и туннелированием, Герд интересовался изучением сверхпроводящих свойств SrTiO3, особенно при увеличении плотности носителей в системе. Что касается меня, то это было начало короткого, но плодотворного сотрудничества, и я в течение нескольких дней смог снабдить группу в ИБМ монокристаллами SrTiO3 с добавлением Nb, плотность носителей в которых была существенно выше, чем в обычных материалах с дефицитом кислорода. Повышение Тс обрадовало нас» [11-12].

В конце 1983 года Мюллер и Беднорц начали свое сотрудничество в исследование сверхпроводимости в оксидах. Повышение критической температуры для ученого того времени (хотя бы на один градус Кельвина) на тот момент являлся не достижимой задачей, а исследование интерметаллических соединений показало, что они не имеют никакого будущего для развития сверхпроводимости. Спустя какое-то время в 1986 году исследование соединения Ва-La-Сu-О дало положительный результат. При проведении измерений сопротивления с охлаждением материала появились изменения на графике. В первых проведенных экспериментах сопротивление начало свое падение при достижении температуры 30 К, спустя две недели были достигнуты результаты, при которых падение удельного электрического сопротивления началось при температуре 35 К. Это было нереально высокое значение по сравнению с наиболее известными в то время сверхпроводниками.

Из доклада Йоханнеса Беднорца:

«Мы знали, что в прошлом неоднократно появлялись сообщения о высокотемпературной сверхпроводимости, которые впоследствии оказывались невоспроизводимыми, и поэтому до публикации наших данных пытались критически осмыслить природу полученных результатов. В то время нам трудно было найти окончательный ответ на этот вопрос, однако мы осознавали важность нашего открытия до такой степени, что решились опубликовать наши результаты, несмотря на то, что не могли еще провести магнитные измерения, чтобы показать наличие эффекта Мейсснера-Оксенфельда. Поэтому наша статья осторожно называлась «Возможная высокотемпературная сверхпроводимость в системе Ва -- La -- Си -- О» [11-12].

На рисунке 5 представлен график изменения критической температуры со временем (вырезка взята из доклада Й. Беднорца). По графику видно, что научный мир не стоял на месте и развивал направление сверхпроводимости, с каждым годом пытаясь увеличить критическую температуру перехода материала в сверхпроводящее состояние.

Экспериментальные исследования Мюллера и Беднорца оказались настоящим прорывом в явление сверхпроводимости. Как писал Беднорц, перед опубликованием статьи по данному исследованию, авторы были очень осторожны в описание выражений и подошли к созданию заголовка самокритично. Это было связано с тем, что ранее опубликованные статьи об увеличение значения критической температуры появлялись в журналах, но никак не смогли быть доказаны (подтверждены, проверены научным миром). Но в этот раз результаты были подтверждены. Да и это стало основным толчком для ученых-исследователей в продвижение данной темы.



Рисунок 5 - Повышение критической температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние изменяющаяся со временем с даты открытия сверхпроводимости (1911 год)

Одна из американских газет прокомментировала конференцию Американского физического общества, проходившую в Нью-Йорке 18-19 марта 1987 года:

«Физики трех континентов предприняли атаку на один из Нью_Йоркских отелей, чтобы стать участниками созванной на скорую руку конференции, посвященной цепочке открытий, которые, возможно, повлекут за собой целый каскад коммерческих применений в электротехнике и электронике. Двери конференц-зала открылись в среду ранним вечером перед ревущей, блистающей всеми красками толпой, внезапно потерявшей всё свое профессорское достоинство. В течение трех минут она заполнила все 1200 мест для сидения, после чего около тысячи физиков набилось в проходы между рядами и заняло места у простенков зала. Сотни других сражались у дверей за право войти» [13].

Газета описывала конференцию, сравнивая ее с фестивалем рок-музыки, а небывалый ажиотаж среди участников конференции с поведением зрителей на этом знаменитом рок-фестивале. Стоит отметь, что эта атмосфера передалась по всему миру, и в каждом центре по физике ученые воссоздавали эксперимент Мюллера и Беднорца, а также предпринимали попытки к созданию новых высокотемпературных сверхпроводников. Российские ученые не отставали от своих коллег. 26 марта 1987 года в Москве проводилась сессия Отделения общей физики, астрономии и ядерной физики АН СССР, на которую стремились попасть большое количество людей, где впервые за всю историю сессий появилась необходимость пригласить дружинников.

Это открытие полностью перевернуло научное мировоззрение на явление сверхпроводимости - оно принципиально отрицало то, что сверхпроводимость может существовать только в узком температурном диапазоне, близком к температуре абсолютного нуля. Кроме этого, новые материалы для сверхпроводимости являлись оксидной керамикой, которые имели свойства близкие к полупроводникам или даже к диэлектрикам, хотя до этого никак не могли предполагать, что данные вещества проявят свойства сверхпроводников. С того момента рост количества публикаций, посвященных явлению сверхпроводимости, увеличилось на порядок. Особенно значительный поток работ был в первые месяцы после опубликования работы Мюллера-Беднорца об открытии так называемой «высокотемпературной сверхпроводимости».

В те времена многие стали предпринимать попытки к созданию новых высокотемпературных сверхпроводников. Однажды из одной крупной американской лаборатории поступила статья в редакцию журнала от руководителя этой лаборатории. Статья была посвящена открытию уникального, нового высокотемпературного сверхпроводника. Руководитель лаборатории, который принес статью, потребовал, чтобы с рецензентов взяли подписку о неразглашении сведений до выхода статьи в журнал. Как потом стало ясно, эта статья была написана некорректно, и автор статьи исказил формулу полученного вещества (сверхпроводника), и подкорректировал ее в последний момент публикации. Хотя стоит отметить, что полученное им вещество с ошибочной формулой все-таки являлось сверхпроводником (что было доказано позже). Многие хотели быть именно первыми, но ставки были велики.

Однако Карл Мюллер и Йоханнес Беднорц не оставили свои исследования и продолжили поиски новых высокотемпературных сверхпроводников. Они проводили эксперименты добавляя новые материалы, например, в полученных образцах с замещением Sr критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние приближается к 40 К.

28 ноября 1986 года группа из Токийского университета подтвердила экспериментальные исследования Мюллера-Беднорца опубликовав свои данные в газете «Асахи симбун». Также профессором Ч.В. Чу из Хьюстонского университета были повторно доказаны их экспериментальные данные - в системе барий-лантан-медь-кислород сверхпроводимость начинает возникать при температуре 35 К. Кроме того, профессор Чу продвинулся в этой области еще дальше, приложив гидростатическое давление к сверхпроводящим материалам, он обнаружил что критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние достигла почти 50 К.

После этого открытия, научные лаборатории стали проводить эксперименты с изменением первоначального состава оксида путем введения меньшей доли иттрия на место большей доли лантана La. Это привело к гигантскому скачку температуры до 92 градусов Кельвина (рисунок 6). Это было невозможным прорывом в явление сверхпроводимости. После выхода этих данных многие научные лаборатории повторили данный эксперимент и подтвердили полученные данные. Причем проведение этого опыта требовало уже меньше усилий - для достижения температуры 95 К возможно использование жидкого азота, так как данной вещество имеет значение температуры кипения 77,4 К. По графику (рисунок 5) видно, что переход в сверхпроводящее состояние заканчивается при температуре 92 К. С использованием жидкого азота в качестве охладителя, стало возможным достаточно легко и впечатляюще демонстрирование эффекта Мейснера.

Анализируя временной интервал, можно сказать, что за несколько месяцев исследований область сверхпроводимости пережила громадный прорыв в повышение критической температуры Тс, однако для этого понадобилось около 70 лет исследований.

Рисунок 6 - Зависимость удельного электрического сопротивления от температуры для соединения YBa2Cu3O7(9-в)

Конечно же стоит отметить, что полученная Карлом Мюллером и Йоханнесом Беднорцем нобелевская премия в области физики являлась действительно заслуженной, так как смогла полностью перевернуть научное мировоззрение на теорию и развитие сверхпроводников.

Основным достижением в открытие Мюллера-Беднорца стало то, что сверхпроводники в основе которых лежит связь медь-кислород обладают большей критической температурой перехода материала в сверхпроводящее состояние (рисунок 6). Конечно, стоит отметить и тот интересный факт, что открытию высокотемпературной сверхпроводимости послужили не особые органические или полимерные структуры, возлагающие тогда большие надежды физиков-теоретиков, а простая оксидная керамика на основе оксидов меди, для которой наиболее характерны диэлектрические или полупроводниковые свойства. Однако больше всего ученых-исследователей потрясло то обстоятельство, что оксидные композиции, проявлявшие сверхпроводящие свойства, были синтезированы давно еще в 1978 г. Российским учеными, являющимися сотрудниками ИОНХ РАН В.Б. Лазаревом, Б.Г. Каханом и И.С. Шаплыгином. Ими была опубликована статья по результатам получения и исследования свойств данных синтезированных материалов. Однако, к сожалению жидкий гелий им был недоступен и научные исследования встали в тупик. Такая же участь постигла и французских исследователей К. Мишеля и Б. Раво, синтезировавших аналогичные и многие другие купраты, но не имевшие доступ к охладителю - жидкому гелию. На рисунке 7 представлена кристаллическая решетка полученного сверхпроводника YBa2Cu3O7, критическая температура перехода которого превышает 90 К [14-16].



Рисунок 7 - Кристаллическая решетка YBa2Cu3O7

Однако стоит отметить тот факт, что Йоханнес Беднорц и Карл Мюллер, не являются простыми плагиаторами, они открыли то, что искали постепенно, шаг за шагом идя к своей цели. Даже, несмотря на то, что теоретические исследования в данном направление говорили только об отрицательных результатах.

Основной заслугой ученых из Швейцарии является то, что, незначительно увеличив значение критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тс, они смогли разрушить все теоретические и технологические, да и даже в какой то степени психологические преграды ученых для создания нового класса оксидных сверхпроводников. За короткий промежуток времени, высокотемпературные сверхпроводники были синтезированы в таких странах, как Китай, Россия, Соединенные штаты Америки, Япония. Однако произведенный прорыв был подготовлен всей логикой развития химией твердофазного материала. То, что оказалось гениальной, хотя в тоже время случайной находкой для ученых-исследователей в области явления сверхпроводимости, по факту являлось закономерным результатом развития химии и физики (неорганика с физикой твердого тела).

Хотелось бы отметить, что сделано выдающееся открытие в увеличение критической температуры - в 1973 году была получена температура Тс=24 К, а уже в 1986 году максимальная критическая температура возросла в несколько раз. Но если рассматривать физику второй половины XX, то можно сказать, что в те года были сделаны еще более существенные открытия, однако они не смогли вызвать и доли такого же общественного резонанса в научном мире как открытие сверхпроводимости. Например, в те времена были открыты новые элементарные частицы, так называемые пульсары. Открытие Мюллера-Беднорца было не в простом увеличение критической температуры перехода. Создание нового класса высокотемпературных сверхпроводников дало возможность использовать в качестве хладона жидкий азот вместо жидкого гелия. А это замещение является большим экономическим эффектом. Стоимость жидкого азота приблизительно на три-четыре порядка ниже стоимости жидкого гелия. Экономический эффект также можно показать через требуемое массовое содержание газа для охлаждения. Для одной и той же массы требуется на порядок больше количества гелия, чем азота. Азот имеет значительно выше значение теплоты парообразования. В том, числе существенно увеличивается экономическая эффективность применяемой криогенной аппаратуры.

4. Сверхпроводящий бум

В середине XX века, после открытия высокотемпературной сверхпроводимости, в научном мире произошли кардинальные изменения. Американский фантаст Реймонд Фишер Джоунс опубликовал рассказ «Уровень шума» в 1967 году. Основная мысль рассказа заключалась в следующем - на одном секретном семинаре, на котором присутствовали физики и математики, было объявлено, что некий ученый изобрел антигравитационный аппарат, однако при испытаниях ученый и его аппарат погибли, и всем участникам конференции предъявляют бесформенные обломки аппарата, а также звукозапись, полученную в ходе испытаний. На этом секретном семинаре ученым ставится серьезная задача - воспроизвести данный аппарат. До этого совещания никто и не подозревал о том, что можно преодолеть силу гравитации и создать такой аппарат, но после представленных данных они убеждаются что это возможно, и у них меняется отношение к этой проблеме. В итоге новый антигравитационный аппарат появляется спустя какое-то время, но тут же выясняется, что секретный семинар и все что в нем было представлено это всего лишь тщательно продуманный обман. Не существовало никакого изобретения. Автор пишет, что создание этого рассказа подразумевало идею того, что можно разрушить предубежденность того или иного факта. По сути этот рассказ полностью передает мысль открытия высокотемпературной сверхпроводимости. Стоит отметить, что научный мир иногда строиться на случайностях, но иногда ему нужен толчок для того, чтобы научные открытия могли развиваться дальше. Статья Йоннеса Беднорца и Карла Мюллера послужила неким катализатором, поднявшим «уровень шума».

В продолжение развития сверхпроводников стоит отметить, что уже в апреле 1987 г. были сделаны первые опытные образцы сверхпроводящих оксидных плёнок и покрытий, а также были созданы проволока и соленоиды, которые смогли показать, что сверхпроводники (высокотемпературные) могут стать технической реальностью. Можно сказать, что с этого времени данное направление перешло в промышленную деятельность и стало «проблемой» государства.

26 мая 1987 г. состоялось первое заседание ученых и политиков, которое стало началом государственной программы по высокотемпературной сверхпроводимости. Основной мыслью данной программы стали фундаментальные и прикладные исследования. Явление высокотемпературной сверхпроводимости представляет собой крайне сложную систему - исключительно сложные оксидные соединения материалов, причем крайне чувствительные к условиям синтеза, к термообработке и дальнейшего применения. Сверхпроводниковые материалы по праву относятся к химическим соединениями, так как именно способ получения, обработка, переработка, химический элементный состав материала, керамическая и кристаллическая структура, а также условия спекания керамики, являются важными техническими параметрами для получения высококачественных высокотемпературных сверхпроводников.

За последние годы синтез высокотемпературных сверхпроводников сделал большой шаг. Значительных успехов достигли в получение новых сверхпроводников с более высокой критической температурой перехода. Среди этих открытий конечно выделяются, такие как синтез серии соединений материала состава Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 японским ученым Мадеда в 1988 году с критической температурой Тс=110 К. Также нельзя забыть про открытие сверхпроводника Tl2Ba2Ca2Cu3O10, которое произошло спустя месяц. Данный сверхпроводник был открыт А. Херманом, американским физиком, причем температура перехода достигла уже 125 градусов Кельвина.

Стоит отметить, что и российские ученые не стоят на месте. В 1993 году в Московском государственном университете им. Ломоносова ученые-химики Е. Антипов и С. Путилин, работая в команде с международными исследователя, получили сверхпроводники ртутьсодежавщего состава HgBa2Can-1CunO2n+2+(n=1-6). Критическая температура перехода данного соединения варьируется от 135 К до 164 К, в зависимости от n, и приложенного внешнего давления. Но уже сам факт, что критическую температуру перехода материала в сверхпроводящее состояние смогли увеличить до 165 К, является еще одним прорывом в предмете сверхпроводников. Стоит отметить, что полученная температура лишь на 19 К уступает минимальной зафиксированной в природных условиях на поверхности Земли температуре.

Конечно, до сих пор ведутся исследования по увеличению критической температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние. Одним из последних утверждений было из Франции - исследователи из Лиона опубликовали статью, в которой утверждалось создание сверхпроводников на основе гидратов магния и лития. Однако так называемые «безмедные» сверхпроводники не давали столько высоких значений температуры, поэтому после проверки их деятельности, их открытие было опровергнуто. Конечно, кто-то утверждает, что это «открытие» появилось за день того, как принималось решение о финансирование данного проекта, и для его поддержки ученым «пришлось» выдвинуть свою теорию.

Размеры финансирования программ по сверхпроводимости в 90-е года снизились, за исключением можно отметить Японию, в которой государственное финансирование и по сей день остается максимальным (200 млн. долларов в год). Эти цифры как нельзя лучше отражают действительность - национальная стратегия Японии, направленная на использование сверхпроводников, и показывает, что с 1997 года расходы на науку резко возросли. В Японии в магазинах можно найти невероятно множество книг, монографий и даже красочных увлекательных комиксов, в которых воссоздаются жизненные истории, переплетающиеся с коллизиями, созданными высокотемпературной сверхпроводимостью.

Что же касается, финансирования проектов по высокотемпературной сверхпроводимости в России, то за 12 лет произошло сокращение на два порядка, что уменьшило число исследовательских групп до нескольких приоритетных. Конечно, в период открытия нового класса сверхпроводников (высокотемпературных) - в России было сделано многое - производился синтез новых типов сверхпроводников, достаточно большое внимание было уделено новым методам синтеза и технологиям создания керамики на основе сверхпроводников (методы осаждения, золь-гель процессы и другие). Не осталось без внимания и исследования в области термодинамики, химического элементного состава сверхпроводниковых материалов, процессы токовой и химической деградации, а также создание эффективных разработок по синтезу сверхпроводящих тонких пленок и покрытий.

В Национальном исследовательском Томской политехническом университете существует лаборатория «Высокотемпературная сверхпроводимость», в которой ведется создание такого типа сверхпроводников с помощью плазмодинамического метода.

Плазмодинамический метод синтеза нанопорошков базируется на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя (рисунок 8). Данный ускоритель был разработан в НИИ Высоких напряжений. Патентообладателем данного изобретения является доктор технических наук, профессор кафедры Электроснабжения промышленных предприятий НИ ТПУ Сивков Александр Анатольевич. Под его руководством в лаборатории ведутся исследования по получению нанодисперсных порошков, в том числе и иттрий-бариевые купраты, которые на сегодняшний день являются самыми распространёнными высокотемпературными сверхпроводниками [17-19].



Рисунок 8 - Схема и устройство коаксиального магнитоплазменного ускорителя: 1. Центральный электрод; 2. Электрод-ствол; 3. Изолятор центрального электрода; 4. Индуктор; 5. Заглушка

Конечно, история развития сверхпроводников будет и дальше развиваться, однако необходимо совершить очередной «сверхпроводящий бум», для того чтобы войти в ее историю. Хотя, до какого-то времени высокотемпературная сверхпроводимость, да и вообще сверхпроводимость являлась чудом, некой магией, в которую никто не верил, но все же ее удалось получить.

сверхпроводник высокотемпературный диэлектрик мейснер

5. Применение сверхпроводящих материалов

Как уже было отмечено ранее, сверхпроводники имеют два уникальных свойства: в интервале величин, ниже критических значений температуры, величины индукции магнитного поля и плотности тока, сверхпроводники имеют нулевое электрическое сопротивление и способны нести ток без потерь на нагрев проводника; при величинах магнитного поля ниже так называемого мейснеровского значения сверхпроводники обладают идеальным диамагнетизмом.

Сильноточные технологии разрабатываются для создания устройств больших мощностей для большого запаса электрической энергии. Сильноточные сверхпроводники применяются для создания, в первую очередь, высоких магнитных полей, так как для поддержания в сверхпроводящем соленоиде уже созданного им поля не требуется больших затрат электрической энергии. Потери энергии отсутствуют, и при необходимости она может быть использована снова [20-27].

Сверхмагниты, создающие в малых объемах сильное и очень однородное магнитное поле, нужны при изучении твердого тела. Сильное магнитное поле резко заворачивает траектории электронов, летящих в толще образца. Измерение частоты колебания этого движения позволяет определить эффективную массу электронов, длину свободного пробега между двумя соударениями, концентрацию частиц. Становится также возможным сознательно вводить центры рассеяния электронов и изучать влияние этих центров на электронную систему.

Физика высоких энергий - это не только создание магнитных систем ускорителей, а также и каналов транспортировки и сепарации пучков, разнообразных детектирующих систем. Сильные магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами, нужны и для управления пучками частиц на выходе из ускорителя.

Современные ускорители, сообщающие частицам высокие энергии (десятки и сотни гигаэлектронвольт), имеют вид больших колец и состоят их секторных магнитов. Ускорители - это очень сложные и дорогостоящие сооружения. В нашей стране был построен под Серпуховом крупнейший протонный ускоритель, который имеет диаметр 0,5 км, его длина 1,5 км, он состоит из 120 массивных блоков весом 20 тысяч тонн и способен набирать до 76 ГэВ энергии (в Дубне работают небольшие ускорители на основе ниобий-титанового сплава НТ-50).

Создана установка «Гиперон-1» для исследования частиц с малым временем жизни; диаметр рабочей области 1 м, индукция магнитного поля достигает 5 Тл. Обмотка из сверхпроводников на основе ниобий-титанового сплава НТ-50 имеет вес 8 т, его криогенная установка потребляет только сотую часть энергии, которую потреблял бы в обычном использовании аналогичный несверхпроводящий магнит.

Создание магнитов для Большого адронного коллайдера (LHC) является в настоящее время самым масштабным использованием сверхпроводников, поскольку для этого потребуется изготовить ~ 1400 тонн проводника, в котором ~400 тонн приходится на Nb-Ti сплав. Экспериментальные провода диаметром 1,065 мм с диаметром волокон 12 мкм были изготовлены в рамках исследовательской программы LHC - Большого адронного коллайдера, который будет работать при температуре сверхтекучего гелия (1,9 К).

ИТЭР, Токамаки. Энергетика является важной и перспективной областью применения сверхпроводников. Потребление энергии растет неуклонно, а в условиях ограниченности используемого природного топлива - нефти, газа, угля - встает вопрос о новых источниках энергии, одним из которых может стать термоядерный синтез. Электростанция на термоядерной энергии - это революция, сравнимая с изобретением паровой машины и компьютера. Все без исключения серьезные специалисты считают, что лишь использование термоядерной энергии способно решить энергетические проблемы цивилизации. В отличие от газа и угля он не исчерпаем, в отличие от атомной энергии - безопасен. В отличие от нетрадиционных источников - эффективен для промышленного освоения.

Накопители. Электроэнергию выгодно производить непрерывно, но спрос на неё в разное время суток разный. За последнее десятилетие во всем мире произошло около двух десятков серьезных аварий в электросетях, которые повлекли довольно длительное отключение электроэнергии. Это было и в Нью_Йорке (1999 г.), и в Лондоне (2003 г.), и в Москве (2005 г.).

Стало очевидно, что необходим «склад» энергии. Эту проблему можно решить с помощью сверхпроводников. Сверхпроводящие индуктивные накопители электромагнитной энергии (СПИНЭ) представляют собой пример одного из уникальных технических использований явления сверхпроводимости - это большая катушка, замкнутая на себя, где без потерь циркулирует ток.

СПИНЭ - индуктивные накопители энергии имеют ряд неоспоримых преимуществ:

· плотность энергии в нем на два порядка больше, чем в конденсаторной батарее, а отдаваемые импульсные мощности могут достигать величин в десятки миллионов киловатт;

· высокий уровень КПД и быстродействие. Время вывода энергии из сверхпроводящего накопителя зависит от его конструкции и составляет от тысячных долей секунды до нескольких часов;

· возможность размещения вблизи потребителя энергии бесперебойного снабжения электроэнергией при аварийных ситуациях;

· низкий уровень потерь при хранении энергии;

· возможность регулирования в режиме вывода энергии и возможность аккумулирования электроэнергии для выравнивания графиков нагрузки.

С точки зрения практического применения интерес представляют СПИНЭ:

· с запасенной энергией 106-107 Дж, обеспечивающие эффектное регулирование напряжений в «слабых» электрических сетях и повышение уровня защиты потребителей электроэнергии;

· с запасенной энергией 108-109 Дж, позволяющие достаточно быстро влиять на распределение мощности в системе и обеспечивать бесперебойное снабжение электроэнергией потребителей при аварийных ситуациях в ЕНЭС;

· в перспективе, при запасенной энергии 1012-1013 Дж, позволяющие аккумулирование электроэнергии для выравнивания графиков нагрузок.

Кабели передачи энергии. Наиболее заманчивой является возможность использования сверхпроводников для линий электропередач. Известно, что несмотря на все ухищрения сетевых компаний РАО ЕЭС, не менее 10% производимой в стране электроэнергии пропадает зря. В пересчете на год теряются миллиарды рублей. А все дело в том, что часть энергии безвозвратно уходит на нагрев проводов протяженных линий электропередачи и окружающего пространства. Впрочем, аналогичная картина наблюдается во всем мире. Физику не обманешь. Технико-экономический анализ показал, что при большой мощности сверхпроводящий кабель будет в 2-3 раза дешевле обычного, а потери энергии в нем будут сокращены в 25 раз. Сам по себе сверхпроводящий материал намного дороже меди, однако токонесущая жила оказывается дешевле, ведь по проводу сечением 1 мм2 можно пропускать не 1-2 А, а десятки кА. Сэкономленную на токовой жиле сумму можно потратить на криогенное охлаждение. Однако следует учесть, что процесс изготовления сверхпроводящего кабеля достаточно трудоемок. Ясно, что существуют много и других трудностей, но у нас в стране уже создан кусок кабеля длиной 50 м на основе Nb3Sn на 8 и 10 кА. Кабели на 5 ГВт испытываются в США и Японии.

Проекты сверхпроводниковых линий электропередач (СЛЭП) на основе низкотемпературной сверхпроводимости создавались еще в 80-е годы XX в. в СССР, США и ряде других стран. В настоящее время такие проекты направлены на использование высокотемпературных сверхпроводниковых материалов. Например, в Курчатовском научном центре рассматривается проект линии электропередачи из нашей страны в Японию, кабель на основе высокотемпературной сверхпроводимости будет проложен по дну Тихого океана.

МГД-генераторы. Магнитогидродинамические генераторы предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В МГД-электростанциях будущего, так же, как и в термоядерных реакторах, необходимо использовать сверхпроводящие магнитные системы. В противном случае большая часть энергии будет уходить на собственные нужды МГД-генератора.

Транспорт на магнитной подушке. Если сверхпроводящий диск опустить на сверхпроводящую катушку, в которой течет незатухающий ток, то благодаря диамагнетизму сверхпроводников диск будет парить над катушкой. Это явление называется магнитной левитацией. На этом принципе можно создавать различные устройства, которые позволяют обеспечить устойчивую подвеску в одном, двух или трех направлениях. Подобные магнитные подвесы особенно удобны в тех случаях, когда тело, подвешенное в магнитном поле, должно вращаться с большим числом оборотов. Таким образом, можно получать подшипники, практически не обладающие трением. Вплоть до максимальных скоростей вращения верхний предел числа оборотов ограничивается механической прочностью материала.

В связи с этим очень привлекательной является идея платформы с магнитной подвеской. В днище скоростного вагона поезда расположена сверхпроводящая обмотка возбуждения, криогенное хозяйство, металлические экраны для защиты пассажиров от мощных магнитных полей. Вдоль всего пути уложены в горизонтальной и вертикальной плоскостях замкнутые контуры из толстых алюминиевых полос, статорные проводники располагаются вдоль эстакады, ротором будет сам поезд. Вдоль пути побежит магнитная волна, которая как бы потянет за собой вагоны. Очень важно, что энергия будет передаваться бесконтактным путем. Такие поезда уже созданы в Японии, Китае, Германии. Например, в Японии между Токио и Осака был проложен участок дороги длиной 500 км для поезда с применением сверхпроводящих материалов. В июле 2000 г. у подножия горы Фудзияма проходил испытания поезд на магнитной подушке, способный разогнаться до скорости более 500 км/ч. Последний рекорд скорости, установленный этим поездом, - 552 км/ч. Японский «летун» сначала движется на колесах. Когда его скорость достигает 130 км/ч, колеса втягиваются в корпус, как у самолета. К тому моменту, когда поезд разгоняется до 160 км/ч, трение между колесами и рельсами исчезает, и поезд плывет в воздухе на высоте приблизительно 10 см над путями. Никакой вибрации не ощущается, так, что в салоне нет даже ремней безопасности. По словам пассажиров поезда, по вагону можно спокойно ходить (во всяком случае, вскоре после того, как исчезнут стартовые перегрузки).