Открытие сверхпроводимости: Сверхпроводимость — Открытие сверхпроводимости

Сверхпроводимость — Открытие сверхпроводимости

Открытие сверхпроводимости Открытие в 1911 году Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости ртути при Tc = 4,15° К положило начало одному из самых увлекательных разделов современной физики и серии Нобелевских премий за исследования в этой области. Интересно, что непосредственное измерение электрического сопротивления ртути проводил Г.Холст (квалифицированный физик, в дальнейшем — профессор Лейденского университета), который и наблюдал первым падение R до нуля. Так как Лейденская лаборатория «владела монополией» на жидкий гелий вплоть до 1923 года, то даже повторить опыты Камерлинг-Оннеса никто не мог, и он продолжал свои исследования в одиночку (по крайней мере, имя Холста нигде не упоминалось). Вскоре вслед за ртутью были открыты и другие сверхпроводники: олово (Tc = 3,69° К), свинец (Tc = 7,26° К) и т.д. Первый сверхпроводник вне Лейдена был открыт лишь в 1928 году. В 1914 году выяснилось, что существует критическое для сверхпроводимости магнитное поле Hc(T), величина которого при T = 0 составляет 411 Э для ртути и 803 Э для свинца. Интересно, что Камерлинг-Оннес был близок к открытию изотопического эффекта (в 1922 году) и эффекта Мейснера (в 1924 году). Но так как изотопический сдвиг Tc в использованных Камерлинг-Оннесом изотопах свинца составлял всего лишь ΔTc >> 0,01 К, то изотопический эффект он не имел экспериментальных возможностей обнаружить. А наблюдать эффект Мейснера в свинцовом шаре Камерлинг-Оннесу не позволило то обстоятельство, что он изучал полый шар, экономя дефицитный жидкий гелий (эффект Мейснера был открыт лишь в 1933 году). В теории дела на первых порах обстояли значительно хуже. И связано это было, прежде всего, с тем, что даже свойства нормального состояния металлов долгое время оставались неясными — вплоть до применения квантовой механики к вырожденному ферми-газу в конце 20-х годов. Как пишет В.Л.Гинзбург, «первый период в изучении сверхпроводимости — в отношении микротеории сверхпроводимости окончился пониманием существования подлинной проблемы, но признанием неясности на пути ее решения», несмотря на то, что понять природу сверхпроводимости пытались даже такие мэтры, как Эйнштейн и Бор. Теоретики ограничились лишь двухжидкостной моделью Гортера-Казимира (1934 год), согласно которой в сверхпроводнике, наряду со сверхпроводящим током, может течь и нормальный ток, обусловленный «нормальными электронами». Справедливости ради надо отметить, что эта модель позволила Лондонам в 1935 году дать качественное объяснение эффекта Мейснера. Ближе к концу периода «позавчера» Л.В.Шубниковым были открыты сверхпроводники второго рода (1935 год), отличавшиеся от известных к тому времени сверхпроводников своим поведением в магнитном поле (как выяснилось позже, подавляющее большинство сверхпроводящих материалов относится именно к классу сверхпроводников второго рода). Причины этого отличия тогда также остались неясны.

Открытие рекордно высокотемпературного сверхпроводника

June 15, 2017 11:51am

Химик Артем Оганов о сверхпроводимости, методе USPEX и электрон-фононном механизме

---

Сверхпроводимость — одно из самых удивительных явлений, открытых человечеством. Оно было случайно открыто в 1911 году голландским ученым Хейке Камерлинг-Оннесом, который получил за это Нобелевскую премию. Открыл он сверхпроводимость, охлаждая ртуть: сверхпроводящей она оказалась при температуре всего лишь в 4 К (это -269 градусов по Цельсию).

Сверхпроводимость очень долгое время не поддавалась теоретическому осмыслению, и теория сверхпроводимости была впервые предложена лишь в 1957 году Бардином, Купером и Шриффером. За эту теорию они также удостоились Нобелевской премии. Согласно этой теории сверхпроводимость возникает благодаря электрон-фононному взаимодействию при взаимодействии электронов и колебаний решетки.

Знаменитый ученый в этой области Макмиллан в 1968 году предположил, что максимальная температура сверхпроводимости будет всего лишь 28 К. То есть выше этой температуры электрон-фононный механизм никогда не сможет обеспечивать сверхпроводимость. По тем временам, в 1968 году, это полностью описывало экспериментальные наблюдения — действительно, самые высокотемпературные сверхпроводники на тот момент не имели сверхпроводимости выше 28 К. Впрочем, многие знаменитые ученые еще в то время дискутировали с Макмилланом и указывали на некорректность его вывода. В их числе был и наш Гинзбург, и многие другие великие ученые. Эксперимент также опроверг выводы Макмиллана. Когда в 2001 году была открыта сверхпроводимость в дибориде магния (MgB2), температура сверхпроводимости составила 39 К.

Но разговоры о том, что электрон-фононный механизм имеет некую верхнюю планку, выше которой сверхпроводимость такого рода уже не может быть, продолжались вплоть до самого последнего времени, несмотря на то что были самого разного рода предсказания, например того, что в металлическом водороде (который до сих пор, кажется, еще не получен, и во всяком случае, сверхпроводимость его экспериментально еще не исследована): были предсказания, достаточно серьезные, что сверхпроводимость там будет при температуре вплоть до 240 К. Но это требует очень высоких давлений, и эксперименты пока еще туда не добрались.

Рекорд высокотемпературной сверхпроводимости был поставлен на совершенно других веществах — на купратах. Это сложные оксиды на основе меди и других металлов, которые были впервые доказаны как сверхпроводники Беднорцем и Мюллером в 1986 году. И один из рекордов физики в том, что Нобелевскую премию они получили уже на следующий год — в 1987-м, и это рекордно короткий интервал.

Такого рода сверхпроводимость не описывается взаимодействием электронов и фононов. Она имеет совершенно другую природу. Вероятно, речь идет о взаимодействии электронов и флуктуаций магнитных моментов на атомах. До сих пор люди не умеют предсказывать температуру сверхпроводимости в такого рода объектах, они гораздо сложнее обычных сверхпроводников. Рекордом в них является температура в 133 К, которая была зафиксирована в сверхпроводнике, открытом нашим выдающимся химиком Евгением Антиповым из МГУ. Под давлением температура сверхпроводимости там растет и достигает величины в 164 К. И это был рекорд, который держался два десятилетия.

Дальше история складывалась совершенно удивительным образом. В 2014 году один из моих учеников, а ныне профессор в Китае Янмин Ма, с помощью предсказания кристаллических структур — это методология, которую внес в нашу область я с моими учениками, — изучал сероводород (h3S) под давлением. Ма показал, что под давлением примерно в 160 гигапаскалей сероводород (h3S) будет сверхпроводником с температурой 80 К. Это не рекорд, но температура достаточно высокая.

Уже через два месяца ученые из той же лаборатории Дефан Дуан и профессор Тьян Цуи публикуют исследование с помощью моего метода USPEX (они являются одними из пользователей моего метода), где они доказывают, что сероводород (h3S) оказывается нестабильным под давлением и распадается с образованием другого вещества — h4S и чистой серы. Соединение h4S не вписывается в традиционные рамки химии, но под давлением оказывается стабильным. Это те самые «запрещенные» химические соединения, о которых я люблю говорить, — запрещенные классическими правилами химии.

У соединения h4S китайские ученые под руководством профессора Цуи предсказали температуру сверхпроводимости в 200 кельвинов, то есть выше рекорда. И эта сверхпроводимость обязана именно электрон-фононному взаимодействию. Таким образом, самыми высокотемпературными сверхпроводниками оказываются именно электрон-фононные, а не экзотические купраты. Если, конечно, это предсказание корректно.

С работы профессора Цуи началась настоящая гонка. Свою статью он подал в журнал в июле 2014 года, опубликована она была в ноябре того же года. А в декабре 2014-го группа профессора Михаила Еремца из Германии (это наш соотечественник) опубликовала онлайн в архиве свою статью, в которой они экспериментально доказывали предсказание, сделанное профессором Цуи: возникает вещество состава h4S под давлением, и оно является сверхпроводником с температурой сверхпроводимости около 200 К. Статья Еремца затем была подана в журнал 

Nature в июне 2015 года, то есть год спустя, а работа профессора Цуи была опубликована там же в августе 2015 года.

Эта работа произвела шок. На самом деле предсказание китайских ученых о сверхпроводимости в районе 200 К многими было проигнорировано, потому что люди сказали: это теория, мало ли что в ней может быть. Многие ссылались на предел Макмиллана, те самые 28 К: не может быть сверхпроводимость, связанная с взаимодействием электронов и колебаний решетки, такой высокотемпературной. Но когда вышли экспериментальные данные и они полностью подтвердили предсказания китайских ученых, а также была установлена температура сверхпроводимости 203 кельвина при давлении примерно в 160 гигапаскалей, то это стало шоком для научного сообщества.

Многие ученые ринулись изучать сверхпроводимость в этом веществе, в подобных веществах. Многие пытались побить этот рекорд ― но он пока не побит. Учитывая интенсивность исследований в этой области, не исключено, что более высокотемпературные сверхпроводники или сопоставимые сверхпроводники при менее высоких давлениях будут найдены. У этого вещества, являющегося таким рекордно высокотемпературным сверхпроводником при давлении 160 гигапаскалей, конечно, практических применений не будет. Но открытие этого вещества, конечно, поменяло ментальность ученых и заставило их по-новому взглянуть на давно известный механизм Бардина, Купера и Шриффера – механизм взаимодействия электронов с колебаниями решетки. И вполне возможно, что будут найдены новые высокотемпературные сверхпроводники, рекордно высокотемпературные, именно обладающие этим механизмом, который удобен для расчетов, удобен для теоретиков.

И может быть, мы будет свидетелями больших прорывов в этой области.

Могу также упомянуть, что другой группой в Китае было обнаружено, что, если допировать это вещество небольшим количеством фосфора (примерно 7,5% атомов серы нужно заменить атомами фосфора), то согласно их теоретическому предсказанию, сверхпроводимость такого вещества будет уже при 280 К, а это уже +7 по Цельсию. Это уже практически комнатная температура.

Подтвердит ли практика это предсказание или нет ― увидим. Но то, что было сделано величайшее открытие в совершенно неожиданном веществе, которое не вписывается в традиционные правила химии и является классическим «запрещенным» веществом, мне кажется, заслуживает исключительного внимания и уважения. А лично для меня это повод для гордости, потому что сверхпроводимость этого вещества была предсказана с помощью моего метода. Хотя и не мной, а совершенно другими людьми, но я очень горд за их работу. И очень горд, что экспериментальное подтверждение этого предсказания было получено нашим соотечественником Михаилом Еремцом, с которым я давно знаком и сотрудничаю, и его коллегами.

     

Источник: postnauka.ru

Сверхпроводимость

Загадочные квантовые явления до сих пор удивляют исследователей своим невообразимым поведением. Ранее мы говорили о сверхтекучести, сегодня же рассмотрим другое квантово-механическое явление – сверхпроводимость.

Что такое сверхпроводимость? Сверхпроводимость – это квантовое явление протекания электрического тока в твердом теле без потерь, то есть при строго нулевом электрическом сопротивлении тела.

Предыстория

С введением в физику такого понятия как «абсолютный ноль» ученые стали все больше исследовать свойства веществ при низкой температуре, когда движение молекул практически отсутствует. Для достижения низких температур требуется проведение такого процесса, как «сжижение газа». При испарении такой газ отбирает энергию у тела, которое погружено в этот газ, так как для отрыва молекул от жидкости требуется энергия. Подобные процессы протекают в бытовых холодильниках, где сжиженный газ фреон испарятся в морозилке.

В конце XIX – начале XX столетия уже были получены такие сжиженные газы как кислород, азот, водород. Долгое время не поддавался сжижению гелий, при этом ожидалось, что он поможет достичь минимальной температуры.

Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом (слева)

Успех в сжижении гелия был достигнут голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесем в 1908-м году, который работал в Лейденском университете (Нидерланды). Сжиженный гелий позволял достичь рекордно низкой температуры – около 4 К. Получив жидкий гелий, ученый начал заниматься изучением свойств разных материалов при гелиевых температурах.

История открытия

Одним из вопросов, которые интересовали Камерлинг-Оннеса, было изучение сопротивления металлов при сверхнизких температурах. Было известно, что с ростом температуры электрическое сопротивление также растет. Следовательно, можно ожидать, что с уменьшением температуры будет наблюдаться обратный эффект.

Экспериментируя с ртутью в 1911-м году, ученый довел ее до замерзания и продолжил понижать температуру. При достижении 4,2 К устройство перестало фиксировать сопротивление. Оннес заменял устройства в исследовательской установке, поскольку побаивался их неисправности, однако устройства неизменно показывали нулевое сопротивление, несмотря на то, что до абсолютного нуля оставалось еще 4 К.

После открытия сверхпроводимости ртути возникло большое количество вопросов. Среди них: «свойственна ли сверхпроводимость другим веществам, помимо ртути?» или «сопротивление снижается до нуля, либо оно настолько мало, что устройства, которые существуют, не могут его измерить.

Оннес предложил оригинальное исследование с непрямым измерением, до какого уровня понижается сопротивление. Возбужденный в полупроводниковой цепи электрический ток, который был измерен при помощи отклонения магнитной стрелки, не затухал несколько лет. Согласно результатам этого эксперимента, полученное посредством расчетов удельное электрическое сопротивление сверхпроводника равнялось 10−25 Ом•м. По сравнению с удельным электрическим сопротивлением меди (1.5۰10−8 Ом•м) данная величина меньше на 7 порядков, что делает ее практически нулевой.

Эффект Мейснера

Помимо сверхпроводимости, сверхпроводники обладают еще одной отличительной чертой, а именно – эффектом Мейснера. Это явление быстрого затухания магнитного поля в сверхпроводнике. Сверхпроводник является диамагнетиком, то есть в магнитном поле в сверхпроводнике индуцируются макроскопические токи, которые создают собственное магнитное поле, которое полностью компенсирует внешнее.

Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом

Эффект Мейснера пропадает в сильных магнитных полях. В зависимости от типа сверхпроводника (об этом далее) сверхпроводящее состояние при этом либо пропадает полностью (сверхпроводники I-го рода), либо сверхпроводник сегментируется на нормальные и сверхпроводимые области (II-го рода). Именно этот эффект способен объяснить левитацию сверхпроводника над сильным магнитом, либо магнита над сверхпроводником.

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Феноменологический подход. Хоть Камерлинг-Оннес и является первооткрывателем сверхпроводимости, первая теория сверхпроводимости впервые была предложена в 1935-м году немецкими физиками и братьями Фрицом и Гайнцом Лондонами. Ученые стремились математически записать такие свойства сверхпроводника как сверхпроводимость и эффект Мейснера, не вникая в микроскопические причины сверхпроводимости, феноменологически. Выведенные уравнения позволяли объяснить эффект Мейснера так, что внешнее магнитное поле могло проникать в сверхпроводник только на определенную глубину, зависящую от так называемой лондоновской глубины проникновения. Для объяснения сверхпроводимости, потребовалось предположение о том, что носителями тока в сверхпроводнике, как и в металле, являются электроны. При этом, нулевое сопротивление означает то, что электрон не испытывает столкновений во время своего движения. Так как это относится ко всем электронам проводимости, то имеет место ток электронов без сопротивления.

Очевидно, что данная теория не объясняет саму природу данного явления, а лишь описывает его и позволяет предсказывать его поведение в ряде случаев. Более глубокая, но также, феноменологическая теория была предложена в 1950-м году советскими физиками-теоретиками Левом Ландау и Виталием Гнизбургом.

Куперовская пара электронов, движущаяся сквозь решетку из положительных атомов. Первый электрон искажает решетку, создавая область повышенного положительного заряда, в которую втягивается второй электрон.

Теория БКШ. Первое качественное объяснение явлению сверхпроводимости было предложено в рамках так называемой теории БКШ, построенной американскими физиками Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Шриффером. Эта теория выходит из предположения, что между электронами при определенных условиях может возникать притяжение. Притяжение, которое обусловлено различными возбуждениями, в первую очередь – колебаниями кристаллической решетки, способно создавать «куперовские пары» — связанные состояния двух электронов в кристалле. Такая пара может двигаться в кристалле, не рассеиваясь ни на колебания кристаллической решетки, ни на примеси. В веществах с температурой, далекой от нуля, достаточно энергии, чтобы «разорвать» такую пару электронов, в то время как при низких температурах система не обладает достаточной энергией. В результате этого возникает поток связанных электронов – куперовских пар, которые практически не взаимодействуют с веществом. В 1972-м году Д. Бардин, Л. Купер и Д. Шриффер получили Нобелевскую премию по физике.

Позднее советский физик-теоретик Николай Боголюбов усовершенствовал теорию БКШ. В своих работах ученый подробно описал условия, при которых могут образовываться куперовские пары (энергия близкая к энергии Ферми, определенные спины и др. ) в результате квантовых эффектов. По отдельности электроны представляют собой частицы с полуцелым спином (фермионы), которые неспособны образовывать конденсат Бозе-Эйнштейна и переходить в сверхтекучее состояние. Когда же имеется куперовская пара электронов, то она представляет собой квазичастицу с целым спином и является бозоном. При определенных условиях бозоны способны формировать конденсат Бозе-Эйнштейна, то есть вещество, частицы которого занимают одно и то же состояние, что приводит к возникновению сверхтекучести. Такая сверхтекучесть электронов и объясняет эффект сврехпроводимости.

Сверхпроводники в переменном электрическом поле

Кроме сверхпроводимости и эффекта Мейснера, сверхпроводники обладают рядом других свойств. Стоит отметить следующее — нулевое сопротивление сверхпроводников характерно только при постоянном токе. Переменное электрическое поле делает сопротивление сверхпроводника ненулевым и оно растет, с увеличением частоты поля.

Также как двухжидкостная модель разделяет сверхтекучий материал на область сверхтекучести и область обычного вещества, так разделяется и поток электронов на сверхпроводящие и обычные. Постоянно поле ускоряло бы сверхпроводящие электроны до бесконечности (учитывая их нулевое сопротивление), что невозможно, потому оно обращается в ноль при попадании в сверхпроводник. Так как постоянное электрическое поле не действует на сверхпроводники, то и обычные электроны не подвержены его воздействию (оно просто выталкивается наружу), а значит движение представлено лишь сверхпроводящими электронами.

В случае с переменным электрическим полем происходит процесс ускорения электронов с последующим замедлением, что физически возможно. В таком случае имеет место и ток обычных электронов, которые обладают свойством сопротивления. Чем выше частота такого поля, тем большее проявляются эффекты, связанные с обычными электронами.

Момент Лондона

Еще одно интересное свойство сверхпроводника – момент Лондона. Суть феномена заключается в том, что вращающийся сверхпроводник создает магнитное поле, которое выравнивается точно вдоль оси вращения проводника.

Дальнейшее исследование этого явления привело к открытию гравити магнитного момента Лондона. В2006-м году исследователи Мартин Таджмар из института ARC Seibersdorf Research, Австрия, и Кловис де Матос из Европейского космического агентства (ESA) обнаружили, что вращающийся с ускорением сврехпроводник генерирует также и гравитационное поле. Однако такое гравитационное поле слабее земного примерно в 100  миллионов раз.

Классификация сверхпроводников

Существует несколько  классификаций сверхпроводников, которые опираются на такие критерии:

1. Реакция на магнитное поле. Это свойство делит сверхпроводники на две категории. Сверхпроводники I-го рода имеют некоторое одно критическое значение магнитного поля, превысив которое, они теряют сверхпроводимость. II-го рода – имеют два предельных значения магнитного поля. При применении магнитного поля, ограниченного этими значениями, к сверхпроводникам этой категории, поле частично проникает внутрь, при этом сохраняя сверхпроводимость.
2. Критическая температура. Различают низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. Первые обладают свойством сверхпроводимости при температурах ниже −196 °C или 77 К. Высокотемпературным сверхпроводникам достаточно температуры выше указанной. Такое разделение имеет место, так как высокотемпературные сверхпроводники могут применяться на практике в качестве охладителей.
3. Материал. Здесь выделяют такие разновидности как: чистый химический элемент (вроде ртути или свинца), сплавы, керамика, органические или на основе железа.
4. Теоретическое описание. Как известно, любая физическая теория имеет определенную область применения. По этой причине, для дальнейшего применения, имеет смысл разделять сверхпроводники по теориям, которые способны описать их природу.

Сверхпроводимость графена

За последние несколько лет известность графена значительно возросла. Напомним, что графен представляет собой слой модифицированного углерода, толщиной в один атом. В первую очередь, этому поспособствовало открытие углеродных нанотрубок – специфическому сверхпрочному материалу, который создается посредством сворачивания одного или нескольких слоев графена.

Крупномасштабная симуляция структуры, сформированной, когда одна решетка графена повернута под «магическим углом» относительно второй решетки графена

В 2018-м году группа исследователей из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета под руководством профессора Пабло Джарилло-Эрреро, обнаружила, что при вращении под определенном («магически») углом, два листа графена полностью лишены электропроводимости. Когда исследователи применили к материалу напряжение, добавив небольшое количество электродов к этой графеновой конструкции, они обнаружили, что на определенном уровне электроны вырвались из исходного изолирующего состояния и протекали без сопротивления. Важнейшей особенностью данного явления является то, что сверхпроводимость указанной графеновой конструкции была получена при комнатной температуре. И хотя объяснение данного эффекта все еще остается под вопросом, его потенциал в сфере энергоснабжения довольно высок.

Применение сверхпроводников

Сверхпроводники еще не получили широкое применение, однако разработки в этой области активно ведутся. Так благодаря эффекту Мейснера возможны «парящие» над дорогой поезда на магнитной подушке – маглевы.

На основе сверхпроводников уже создаются сверхмощные турбогенераторы, которые могут применяться на электростанциях.

Поезд на магнитном подвеске в Шанхае, Китай

Криотрон – еще одно применение сверхпроводимости, которое может быть полезно для техники и электронных приборов. Это такое устройство, которое может переключать состояние сверхпроводника из обычного в сверхпроводящее за очень короткое время (от 10⁻⁶ до 10⁻¹¹с). Криотроны могут быть использованы в информационных системах, связанных с запоминанием и кодированием. Так впервые они применялись как запоминающие устройства в ЭВМ. Также криотроны могут помочь в области криоэлектроники, среди задач которой – повысить чувствительность приемников сигнала и сохранить форму сигнала как можно лучше. Здесь достижению поставленных целей способствуют низкие температуры и эффект сверхпроводимости.

Также, в силу отсутствия сопротивления в сверхпроводниках, кабели из такого вещества доставляли бы электричество без потерь на нагревание, что значительно бы повысило эффективность электроснабжения. Сегодня такие кабели требуют охлаждения посредством жидкого азота, что повышает цену на их эксплуатацию. Однако, исследования в этой сфере ведутся, и первая электропередача на основе сверхпроводников была приведена в эксплуатацию в Нью-Йорке 2008-м году компанией American Superconductor. В 2015-м году Южная Корея объявила о намерении создать несколько тысяч километров сверхпроводящих линий электропередач. Если добавить к этому недавнее открытие сверхпроводимости графена при комнатной температуре, то в ближайшее время следует ожидать глобальные изменения в области электроснабжения.

Самая близкая к идеальной сфера из всех когда-либо созданных человеком — ротор гироскопа GP-B. Сфера сделана из кварцевого стекла и покрыта тонкой плёнкой сверхпроводящего ниобия. Поверхности кварца отполированы до атомарного уровня.

Кроме указанных областей применения, сверхпроводимость применяется в измерительной технике, начиная от детекторов фотонов и заканчивая измерением геодезической прецессии посредством сверхпроводящих гироскопов на космическом аппарате «Gravity Probe B». Это измерение подтвердило предсказание Эйнштейна о наличии таковой прецессии по причинам, изложенным в Общей теории относительности. Не углубляясь в механизм измерения, следует отметить, что данные о геодезической прецессии Земли позволяют точно калибровать искусственные спутники Земли.

Подводя итоги написанного выше, напрашивается вывод о перспективности эффекта сверхпроводимости во множестве областей, и большом потенциале сверхпроводников, в первую очередь в сферах электроснабжения и электротехники. Ожидаем в ближайшее время множество открытий в данной области.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 25337

Запись опубликована: 16.04.2019
Автор: Владимир Соловьев

8 апреля 1911 года Хейке Каммерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость

Открытие сверхпроводимости стало одним из первых крупных прорывов в физике низких температур. В 1908 году Хейке Каммерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий, за что был удостоин Нобелевской премии. Спусти три года он использовал свое открытие для охлаждения ртути до рекордно низкой температуры.

Ученый измерял сопротивление охлажденного металла в зависимости от температуры. При прохождении отметки 4.2 Кельвина сопротивление упало до значения, которое было меньше чувствительности прибора. В своем лабораторном журнале Каммерлинг-Оннес написал, что сопротивление ртути уменьшилось «практически до нуля». Прошло еще полвека, прежде чем научное сообщество окончательно согласилось, что слово «практически» было лишним: в сверхпроводниках сопротивление отсутствует.

Лабораторный журнал Хейке Камерлинга-Оннеса

Dirk van Delft and Peter Kes/Physics Today

Зависимость сопротивления ртути от температуры.

Dirk van Delft and Peter Kes/Physics Today; H. Kamerlingh Onnes/Phys. Lab. Univ. Leiden Suppl.

Высокотемпературный сверхпроводник, левитирующий над магнитом

Henry Mühlpfordt

Помимо нулевого сопротивления сверхпроводники обладали еще одним уникальным свойством: они «выталкивали» из себя магнитное поле, то есть силовые линии магнитного поля огибали металл в сверхпроводящем состоянии. Это явление получило название эффекта Мейснера и объяснялось существованием круговых токов вдоль поверхности сверхпроводника, создающих компенсирующее магнитное поле. За счет этого эффекта сверхпроводящие материалы могут «левитировать» в магнитном поле.

Впоследствии были открыты новые классы сверхпроводящих веществ: сверхпроводники II рода, которые пропускали магнитное поле сквозь себя, окружая его электронными вихрями; органические сверхпроводники; а также высокотемпературные сверхпроводники, в которых критическая температура превышает 130 кельвинов. Высокотемпературная сверхпроводимость до сих пор остается нерешенной задачей для теоретиков.

Низкотемпературная сверхпроводимость получила теоретическое объяснение. В случае металлов большим прорывом стали работы Ландау-Гинзбурга. Их теория давало феноменологическое описание сверхпроводимости, но не объясняла до конца природу ее возникновения. Дальнейшим развитием стала теория Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффер. В ее рамках сверхпроводимость металлов объясняется при помощи концепции «куперовских пар»: двух электронов с противоположными спинамами, объединившихся в своеобразный «бозон». Для бозонов объяснение сверхпроводимости следует уже из теории Ландау-Гинзбурга. За свою работу Бардин, Купер и Шриффер получили Нобелевскую премию по физике в 1972 году.

прошлое, настоящее и будущее сверхпроводимости / Блог компании Toshiba / Хабр

Сверхпроводимость – открытие с незавидной судьбой по сравнению с другими научными прорывами XX века. Результаты последних быстро нашли путь из теоретической в прикладную науку, а затем – в повседневную жизнь. Сверхпроводимость же постоянно требует от учёных достигать и преодолевать какие-то пределы: температурные, химические, материальные. И даже спустя более чем 100 лет после открытия этого явления, мы все ещё боремся с теми же преградами, которые стояли перед учёными в начале прошлого века. Мы — это и Toshiba тоже, и нам есть что рассказать о нашем вкладе в изучение и приручение сверхпроводимости.

Что такое сверхпроводимость и как мы о ней узнали?

Представьте, что вам надо проехать на машине через очень плохую грунтовую дорогу. В тёплое время года, особенно после дождя, она превращается в болото. Колеса вязнут в грязи, скользят, буксуют, машину водит из стороны в сторону. Ваша скорость падает. Зато осенью при первых заморозках грязь твердеет, и вы проезжаете по дороге с ветерком, как будто по шоссе. Вот также и электроны, составляющие электрический ток, проходят через металлы при изменении температуры. Когда вещество нагрето, составляющие его атомные структуры сильно колеблются, затрудняя движение электронов. Атомы выхватывают из потока электроны и рассеивают их. Лишь немногие проходят из точки «А» в точку «Б». Так создается сопротивление.

Однако если металл охлаждать до абсолютного нуля (–273 °С), внутренние колебания вещества («тепловой шум») в нём уменьшаются, и электроны проходят через него без трений, то есть сопротивление падает до нуля. Именно это и называется сверхпроводимостью. Как всё это работает с научной точки зрения, описано в многочисленных статьях в специальных и научно-популярных изданиях, например, в N+1 (с весёлыми картинками).

Голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в 1911 году об этом явлении ещё не знал, хотя уже был в курсе, что электрическое сопротивление металла снижается при охлаждении. Чтобы проверить, как далеко можно зайти в играх с холодом, металлом и электричеством, голландец использовал ртуть. Именно этот металл в те времена подвергался лучшей очистке от примесей, мешающих движению электронов.

При понижении температуры до 4,15 кельвинов, то есть до –269 °C, сопротивление в ртути полностью исчезло. Правда, Каммерлинг-Оннес в это не поверил, и, проявляя свойственную ученому осторожность, записал в дневнике, что сопротивление «практически исчезло». На самом деле оно полностью отсутствовало, просто измерительные приборы тогда к этому были не готовы, как и сам исследователь.

Впоследствии Каммерлинг-Оннес проверил на сверхпроводимость много металлов и установил, что таким свойством обладают свинец и олово. Также он нашел первый сверхпроводящий сплав, который состоял из ртути, золота и олова. За свои эксперименты с критически низкой температурой ученый получил прозвище «Абсолютный нуль». Но поддерживать это высокое звание было непросто — для экспериментов требовался дефицитный по тем временам жидкий гелий, что не позволило Каммерлингу-Оннесу открыть второе фундаментальное свойство проводников.

Эффект Мейснера: мог ли летать гроб пророка

В средневековой Европе был распространен такой миф: в Мекке, в одном из дворцов парит в воздухе железный (по другим представлениям — медный) гроб с телом пророка Мухаммеда, не поддерживаемый ничем, кроме мощных магнитов. Паломники со всего исламского мира приходят туда, чтобы увидеть это зрелище, и в религиозном экстазе выкалывают себе глаза, потому что верят, будто ничего чудеснее в жизни уже не увидят.

Паломник пал на колени перед левитирующим гробом на фрагменте Каталонского атласа XIV века. Источник: Wikimedia Commons

В действительности погребён пророк был не в Мекке, а в Медине; гроб был сделан из дерева, хотя и богато украшен; никаких магнитов тоже замечено не было, что было проверено в XIX веке. Тогда же было доказано, что ферромагнитное тело в поле постоянных магнитов не может сохранять устойчивое равновесие.

Тем не менее, если бы средневековые хронисты пережили выдуманный миф на один век, то они могли бы получить в распоряжение мощный козырь. В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд решили проверить, как распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. И вновь было сделано неожиданное открытие: сверхпроводник, охлажденный до критической температуры, вытолкнул из своего объема внешнее постоянное магнитное поле. Как выяснилось, проходящие через сверхпроводник токи создают своё магнитное поле в тонком поверхностном слое вещества. В сверхпроводящем состоянии сила этого поля равна действующему на него внешнему магнитному полю.

Если бы гроб пророка был создан из магнитов и помещён в пещеру, состоящую из охлажденных до критических температур сверхпроводников, то, возможно, он действительно парил бы в воздухе, как это описывали средневековые европейцы. Во всяком случае, в небольших масштабах и с менее сакральными участниками такой эксперимент уже много раз проводился.

Вот так мог левитировать гроб пророка, если бы при его погребении были учтены все условия эффекта Мейснера. Источник: YouTube-канал Empiric School

Открытие эффекта Мейснера также помогло нам понять, что не все сверхпроводники одинаковы. Помимо немногочисленных чистых металлов, сверхпроводимость возникает и у сплавов. Однако если у чистых веществ эффект Мейснера проявляется полностью (сверхпроводники I рода), то у сплавов — частично, ведь они не однородны (сверхпроводники II рода). В них магнитное поле выталкивается не полностью, а заполняет пространство вдоль идущих через проводник сверхтоков. Именно с их открытия началось практическое применение сверхпроводников в виде магнитов.

Тесла бы гордился: как Toshiba создала самый мощный в мире сверхпроводящий магнит

В погоне за снижением критической температуры к 1960-м годам человечество открыло много сверхпроводников второго вида, которые уже можно было использовать в промышленных целях и масштабах. Первой логичной задачей на этом пути стало создание сверхпроводящих магнитов, которые должны были заменить изобретенные еще в XIX веке электромагниты, основанные на использовании обычных металлов.

Сверхпроводящий магнит позволял создавать гораздо более устойчивые и мощные поля при более эффективном использовании электричества. В 1962 году были разработаны первые сверхпроводящие провода из ниобия и титана, и в том же году был создан первый крупный сверхпроводящий магнит. Его сконструировали специалисты General Electric. Мощность генерируемых им полей достигала 10 тесла. Для сравнения: большинство больничных магнитно-резонансных томографов сегодня генерируют поле с индукцией от 1 до 10 Тл.

Правда, несмотря на очевидный научно-технический успех, первый сверхпроводящий электромагнит оказался совершенно убыточным. Вместо предусмотренных контрактом с Bell Laboratories 75 тыс. долл., детище General Electric обошлось в 200 тыс. долл. Тем не менее, в гонку за индуктивностью полей в 1970-е гг. вступили многие инновационные компании, в том числе и Toshiba.

Основной задачей тогда было понять, насколько сильное поле может создать сверхпроводящий магнит, потому что чем выше эта величина, тем быстрее теряется сверхпроводимость. Именно тогда Toshiba совместно с Университетом Тохоку создала новый мощнейший в мире на тот момент сверхпроводящий магнит. Он генерировал поле с индукцией 12 Тл. В университете Тохоку его использовали в материаловедении.

Однако обычные электромагниты все еще были способны превзойти своих «потомков» в генерации электромагнитных полей. К концу 1970-х старое поколение этих устройств могло создать поле с индукцией до 23,4 Тл, тогда как сверхпроводящие магниты — только 17,5 Тл.

В 1983 году инженеры Toshiba на базе своей прежней разработки создали гибридный электромагнит: обычный резистивный электромагнит был помещён внутрь сверхпроводящего магнита, и скрещивание их полей дало индукцию величиной 31 Тл в 1986 году.

Когда стало ясно, что мы можем достичь очень высокой мощности электромагнитных полей, встал вопрос, а как использовать то, что мы уже имеем? В 1980-е Toshiba, как и многие другие компании, решила коммерциализировать технологию на «медицинском полигоне».

Лучи добра: как сверхпроводники Тошибы помогают лечить онкологические заболевания

В 1980-е стало ясно, что магнитно-резонансная томография, использующая электромагнитные поля сверхпроводников, может давать намного более четкую диагностику, чем недавно разработанная технология компьютерной томографии и более старые рентгеновские лучи. Это осознали и в Toshiba. С тех пор компания стала поставщиком сверхпроводящих магнитов производителям медицинского оборудования и остаётся им до сегодняшнего дня.

Один из первых сверхпроводниковых магнитов Toshiba, разработанный для аппаратов МРТ. Источник: Toshiba

Однако современные медицинские установки становятся гибридными: они не только диагностируют, но и лечат, как, к примеру, аппараты терапии с использованием тяжелых частиц.

Их суть в том, что они генерируют лучи с ускоренным движением тяжелых частиц, которые направляются на опухоли в человеческом теле. Чтобы точно направлять пучки таких частиц, необходимо мощное магнитное поле. Раньше такие машины уже использовались, но они не могли контролировать путь генерируемых частиц, из-за чего пациентам постоянно приходилось менять положение, чтобы подставлять пораженные участки тела под излучение, что непросто для больных онкологическими заболеваниями.

Тогда инженеры Toshiba внедрили в гентри — подвижную кольцевую часть излучателя, похожую на портал, — сверхпроводящие магниты, которые были способны быстро менять силу магнитных полей. Это позволило более прицельно направлять лучи, а движение гентри позволило пациентам сохранять покой во время терапии.

Аппарат терапии тяжелыми частицами. Во вращающемся гентри — сверхпроводниковый электромагнит Toshiba. Источник: Toshiba

Что в будущем: топ-3 перспективных применений сверхпроводников

Помимо медицины, сверхпроводники сегодня используются в науке, энергетике, транспорте. Каковы их перспективы в ближайшем будущем?

Провода на высокотемпературных сверхпроводниках

С самых первых лет открытия сверхпроводимости человечество задумывалось о том, как передавать ток с помощью сверхпроводников. Обычные воздушные высоковольтные линии занимают много пространства, а также теряют 6-10% передаваемой энергии.

Сначала не подходили, собственно, сверхпроводящие металлы, чьи химические свойства не позволяли сделать из них провода. Затем с открытием сверхпроводников II рода встал вопрос об их охлаждении, для которого требовался дорогой гелий. Только в 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, то есть были найдены сверхпроводники с критической температурой выше 30 кельвинов. Это позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот, однако теперь встал вопрос о том, как поддерживать высокопроводящее состояние, то есть низкую (высокую) температуру на очень больших отрезках.

Сейчас в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США есть проекты по созданию сверхпроводящих кабелей длиной от одного до десяти километров. Успеха добились российские инженеры — в прошлом году завершились испытания самой протяженной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока. Опытный образец на основе сверхпроводника Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x длиной 2,5 км с критической температурой –165 °С планируется ввести в эксплуатацию в 2020 году соединит две подстанции в Санкт-Петербурге.

Высокоскоростной транспорт

Способность сверхпроводников создавать мощное и устойчивое магнитное поле нашла применение в транспорте. В начале 1970-х был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта Бирмингема и железнодорожной станцией города (проработал до 1995-го).

Суть технологии проста: состав удерживается над дорожным полотном силой электромагнитного поля. Она же толкает состав вперед — включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных — притягивает. Быстрое попеременное включение таких магнитов создает постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Благодаря отсутствию трения маглевы способны разгоняться до 500-600 км/ч.

Однако несмотря на относительную простоту технологии, она не получила широкого распространения. Дело в том, что она слишком дорогая. Скажем, шанхайский маглев-аэроэкспресс (в коммерческой эксплуатации с 2004-го года) приносит ежегодный убыток в 93 млн долл.

Поэтому более перспективным применение электромагнитных полей сверхпроводников может быть в дорогостоящих космических проектах. Тот же принцип магнитной левитации предполагается использовать для вывода в космос грузовых кораблей. К примеру, разработчики проекта Startram (ориентировочная стоимость 20 млрд долл.), заявляют, что снизят стоимость отправки одного килограмма космических грузов до 40 долл., построив разгонный туннель, направленный на околоземную орбиту (против нынешних 2500 долл. у SpaceX на Falcon-9).

Разгонный тоннель в проекте Startram. Источник: Сайт проекта Startram

Термоядерные реакторы

Еще одна перспективная область применения сверхпроводниковых магнитов — термоядерные реакторы. Они нужны для создания так называемой магнитной ловушки, для удержания вырабатываемой реактором плазмы. Заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. По сути, намагниченная плазма становится диамагнетиком, который стремится покинуть магнитное поле. Соответственно, если окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, плазма будет удерживаться в заданном объеме и не сможет разрушить стенки реактора.

Именно такая технология используется для строительства термоядерного реактора ИТЕР во Франции. В этом проекте принимает участие и Россия, причем именно она была ответственна за поставку во Францию сверхпроводящих кабелей для создания того самого электромагнитного поля, «укрощающего» плазму. Как предполагается, опробованы магниты будут во время первого запуска реактора в 2025 году.

Когда же потеплеет?

Несмотря на более чем вековую историю сверхпроводимости главная мечта всех физиков и инженеров — комнатная температура сверхпроводимости, которая позволит использовать сверхпроводники максимально широко в быту, — пока не достигнута. Последний рекорд в этой области поставлен совсем недавно, в мае 2019 года: международная группа учёных экспериментировала с экзотическим соединением — гидридом лантана (Lah20). Получить этот материал очень сложно. Для этого нужна высокая температура и большое давление, отчего вырабатываемые образцы гидрида лантана микроскопически малы. Тем не менее, ученым удалось проверить, как этот материал взаимодействует с магнитным полем. При температуре –23 °С он вытолкнул магнитное поле, чем доказал свою сверхпроводимость. Пока что это самый теплый сверхпроводник, который мы знаем. Однако работа по поиску более тёплых сверхпроводников не останавливается, она продолжается. И как только будут достигнуты новые успехи в этой сфере, мы сразу сообщим.

на пороге комнатной сверхпроводимости – аналитический портал ПОЛИТ.РУ

Артём Оганов — химик, кристаллограф-теоретик, профессор РАН и Сколтеха, действительный член Европейской Академии и Королевского Химического общества.

В лекции он рассказывает о недавнем открытии российских физиков: недавно они выявили ранее неизвестный принцип, который связывает сверхпроводящие свойства соединений водорода и других элементов c местом последних в периодической таблице Менделеева. Его открытие приблизит создание материала, который смог бы сохранять подобные свойства при комнатных температурах.

Предыдущие онлайн-лекции — разговоры с Ильей Хржановским, Александром Аузаном, Маратом Гельманом, Леонидом Вальдманом и другими — вы можете посмотреть на нашем YouTube-канале. Также за расписанием онлайн-лекций можно следить на нашем сайте. 

Оганов: Добрый вечер, друзья. Мне всегда очень приятно читать лекции для Полит.ру, а сегодня и повод есть хороший: подвести предварительные итоги поиска, который недавно принял взрывной, лавинообразный характер — поиска комнатной сверхпроводимости.

Это старая задача. Сверхпроводимость была открыта чуть больше 100 лет назад, это открытие тогда потребовало методов глубокого охлаждения, первый сверхпроводник должен был быть охлажден до 4 К, то есть –269 °С. Это близко к абсолютному нулю. В дальнейшем были найдены всё более и более высокотемпературные сверхпроводники. Так, в середине 1980-х были открыты сложные оксиды меди, которые оказались высокотемпературными сверхпроводниками. К слову, высокотемпературными называются те вещества, которые сверхпроводят при температуре жидкого азота или выше, то есть 77 К или –196 °С и выше. Это высокотемпературная сверхпроводимость, хотя 77 К или –196 °С — это всё еще довольно глубокое охлаждение.

Мы же хотим — да и всегда люди хотели — сделать такие сверхпроводники, которые не требуют вообще никакого охлаждения и могли бы работать при комнатной температуре. Может быть, это звучит как фантастика для тех, кто не слышал о самых последних прорывах, но человечество уже приблизилось к комнатной сверхпроводимости. И почти-комнатная сверхпроводимость уже является фактом, доказанным экспериментально. Но сначала это было предсказано теоретически, с помощью методов, созданных мною. Про всю эту историю я вам и расскажу.

Напомню, что технологии, которые мы создаем, основаны на материалах и на их свойствах. Если вы хотите создать новую прорывную технологию, почти наверняка камнем преткновения будет отсутствие материала с нужными вам свойствами. Вам придется улучшить свойства существующих материалов.

Сверхпроводимость, как я уже сказал, это низкотемпературное явление, квантовое по своей природе и весьма деликатное, основанное на достаточно слабых эффектах, которые разрушаются температурой и магнитным полем. Здесь вы видите график удельного сопротивления высокотемпературного сверхпроводника с температурой сверхпроводимости 93 К. Вы видите, что при охлаждении, когда мы двигаемся справа налево в этом графике, сопротивление постепенно падает, а при достижении температуры сверхпроводящего перехода — 93 К — резко обрушивается в ноль. Это действительно ноль. Во всяком случае, эксперименты показывают, что с любой точностью, которой может достигнуть эксперимент, это действительно ноль.

Это значит, что в таком материале ток не будет затухать, это значит, что вы можете передавать электричество без потерь. Не будет сопротивления, которое подчиняется закону Ома, будет огромная экономия энергии. Конечно, если не учитывать, что вам, прежде всего, нужно потратить энергию на охлаждение сверхпроводника. 

Тем не менее даже сейчас, когда комнатная сверхпроводимость еще не достигнута, и давным-давно, даже когда о комнатной сверхпроводимости, по сути, речи не было, у сверхпроводников в силу их экзотических свойств была масса применений. Если вы делаете магнитно-резонансную томографию, то знайте, что томограф генерирует очень сильное магнитное поле именно благодаря сверхпроводникам. Сверхпроводящие катушки, охлажденные, разумеется, до нужной температуры, генерируют самые сильные магнитные поля, доступные человечеству. Масс-спектрометрия требует также сильных магнитных полей, которые тоже можно генерировать в том числе сверхпроводящими катушками. Ускорители частиц, источники синхротронного излучения или Большой адронный коллайдер — все они используют сверхпроводящие катушки для создания магнитных полей, которые и отклоняют заряженные частицы. Поезда на магнитной левитации, технология будущего — высокоскоростные и очень безопасные поезда — требует сильных магнитных полей. Лучший способ их генерирования — сверхпроводящие катушки. Радиоволновые, микроволновые фильтры (например, для технологии 5G и прочих) тоже требуют высокопроводящих материалов, и один из вариантов — это сверхпроводники. Но вот беда: их надо охлаждать. Поэтому очень часто вместо сверхпроводников пользуются обычными металлами, но наилучший результат был бы именно со сверхпроводниками.

Для химических элементов сверхпроводимость достижима только при очень-очень низких температурах. Даже алюминий является сверхпроводником, но при сверхнизких температурах. Ртуть, первый открытый сверхпроводник, сверхпроводит при температурах ниже 4 К, как я уже упоминал, то есть –269 °С. У двойных или, как химики говорят, бинарных соединений значительно большие температуры сверхпроводимости. Для элементов наибольшая температура — у ниобия (9 К), для бинарных соединений — где-то до 40 К. А для тройных соединений или, как химики скажут, тернарных, или более сложных соединений — четверных, кватернарных, температуры уже гораздо-гораздо больше. И рекордная температура сверхпроводимости — 135 К. Запомните эту цифру, этот рекорд держался более 20 лет. И недавно этот рекорд был побит почти в два раза.

Итак, немножко истории. В 1911 году голландский ученый Хейке Камерлинг-Оннес, делая всевозможные измерения при сверхнизких температурах (он был тогдашним чемпионом по созданию низких температур и воспользовался этим для измерения самых разных свойств при низких температурах), обнаружил уменьшение электросопротивления до нуля в некоторых веществах. Объяснения этому долгое время не могли найти. Важной вехой, но не давшей пока объяснения, была теория Гинзбурга и Ландау, а вот объяснение было дано теорией трех американцев: Бардина, Купера и Шриффера. Джон Бардин, кстати, является дважды Нобелевским лауреатом по физике: еще одну Нобелевскую премию он получил за открытие транзистора. Две совершенно разные, но великие работы. Бардин, Купер и Шриффер связали сверхпроводимость с особым взаимодействием между электронами, которое осуществляется посредством колебаний решетки. Колебания решетки позволяют двум электронам образовывать такую странную, слабенькую электронную пару, которая движется как единое целое. И, в отличие от одиночных электронов, подчиняется совсем другой квантовой статистике. И на этом основано явление сверхпроводимости. Поскольку связь между этими электронами, осуществляемая колебаниями решетки, очень слабая, сверхпроводимость и разрушается очень легко температурой или магнитным полем.

Были и дальнейшие открытия. Купратные сверхпроводники, сверхпроводники на основе сложных оксидов меди, были открыты в середине 1980-х гг. Беднорцем и Мюллером. Вообще эти соединения, купраты, были известны давно, но никому и в голову не могло прийти, что они могут быть сверхпроводниками, а уж тем более высокотемпературными. Беднорц и Мюллер неожиданно обнаружили такую сверхпроводимость и получили за это Нобелевскую премию. Кстати говоря, природа сверхпроводимости этих купратных сверхпроводников до сих пор не вполне понятна. Понятно одно: что она не сводится к роли колебания решетки, там есть и какие-то другие эффекты. В настоящее время никто не может предсказывать температуру сверхпроводимости и другие свойства таких сверхпроводников. Долгое время рекорд, который был поставлен на одном из купратов в начале 1990-х (те самые 135 К), держался. 

В 2001 году было неожиданно обнаружено, что диборид магния (тоже вещество, которое было известно почти 200 лет) вдруг оказалось прекрасным сверхпроводником, и описывается он традиционным механизмом взаимодействия электронов с колебаниями решетки. А в 2014 году началась эпопея, о которой сейчас я вам и расскажу: эра гидридных сверхпроводников. Вообще, начало этой эры было положено на много десятилетий раньше, когда советские и американские ученые интенсивно публиковали работы о металлическом водороде и пытались его изучить теоретически и создать экспериментально. Были теоретические оценки, что водород будет не только комнатным сверхпроводником, но и сверхпроводником при температурах порядка 600 К. Ну, в сильно сжатом, твердом состоянии. В обычном состоянии водород, понятно, это газ. Но если вы сдавите водород до давлений в несколько млн атмосфер, он станет металлом и будет сверхпроводником — где-то около комнатной температуры, а может быть, даже и до 600 К. Так говорили старые теории прошлого века.

По нынешним оценкам, водород становится металлом и, возможно, сверхпроводником при слишком уж высоких давлениях — порядка 4 или 5 млн атмосфер, и давление этой металлизации можно понизить, если добавить к водороду небольшое количество какого-то другого элемента, в особенности металла. Этот элемент отдаст часть своих электронов водороду, что поможет ему стать металлом. Ученые стали экспериментировать, изучая разные гидридные системы. И получилось много интересных открытий.

Долгое время считалось, что предсказывать кристаллические структуры невозможно. Когда в 2005 году я и мой ученик разработали метод предсказания кристаллических структур, это породило целую лавину работ, применения и дальнейших разработок этого метода, и появление новых методов. Впрочем, до сих пор наш метод является самым быстрым и самым широко используемым из всех существующих методов предсказания кристаллических структур из первых принципов. Вообще предсказание кристаллических структур — это тоже богатая история, которую можно проследить с работы Кеплера, его полушутливого трактата «О природе шестиугольных снежинок», где Кеплер попытался — успешно попытался, в общем-то — объяснить гексагональную симметрию снежинок внутренним строением кристаллов льда. Позже, в XIX веке, успешные предсказания структуры вещества делались химиками-органиками. Наиболее ярким предсказанием такого типа является озарение Кекуле, когда он смог интуитивно понять строение молекулы бензола. А вот для кристаллов первым успешным предсказанием, или интуитивным озарением, была модель структуры каменной соли, которую предложил эксцентричный английский ученый Уильям Барлоу. Брэгги, определившие структуру каменной соли, знали о модели Барлоу и никогда этого не скрывали, и поэтому их работу правильно называть не расшифровкой структуры каменной соли, а подтверждением модели Барлоу для структуры этого вещества. Можно сказать, что Барлоу был первым человеком, который смог корректно представить себе структуру кристалла. 

Но предсказанием кристаллических структур мы это все-таки не называем, потому что это было сделано исходя из каких-то эстетических, интуитивных соображений. Мы же говорим о предсказании структур на основе строгих физических принципов. Строгим физическим принципом является минимизация энергии, когда вы предсказываете такое расположение атомов, при котором энергия минимальна, а это и есть наиболее стабильное состояние вещества. Перебрать все возможные варианты расположения атомов в пространстве невозможно: их астрономически много. Но, как выяснилось, перебирать и не нужно. Мы создали эволюционный алгоритм, который не пытается перебрать все возможные решения, а бегло прощупывает пространство возможных решений, определяет наиболее перспективную область и шаг за шагом фокусируется на этой области пространства поиска и находит оптимальное решение, то есть структуру с наименьшей энергией за конечное и достаточно короткое время. Это, кстати, урок для многих людей, которые планируют заниматься наукой. Нерешаемых задач, вероятно, нет. Задача, которая считалась нерешаемой ввиду бесконечного множества возможных вариантов решения, оказалась вполне решаемой. Будьте смелее — такой урок здесь.

Этот метод был положен в основе программы USPEX, которую сделали я и мои ученики. Программа доступна бесплатно для всех университетов и научных институтов. В нашей программе поиск стабильной кристаллической структуры осуществляется благодаря сочетанию нашего эволюционного алгоритма с квантово-механическими расчетами.

Квантово-механические расчеты достаточно дорогие с точки зрения вычислительного времени, но, к счастью, их можно заменить на машинное обучение, на расчеты с помощью искусственного интеллекта (ИИ). Мы это показали в нашей недавней работе с замечательным молодым профессором Александром Шапеевым из моего института, который разрабатывает такие методы. В моей лаборатории мы тренируем модель ИИ на небольшом числе квантово-механических расчетов, и затем квантово-механические расчеты становятся не нужны, можно определять энергии структур и силы, действующие на атом, что называется, на лету, очень быстро, с помощью модели ИИ. Ускорение, которое вы при этом получаете, — от 100 до 10 000 раз. То, что раньше требовало суперкомпьютера, сейчас во многих случаях может делаться на обычном, бюджетном компьютере.

Мы научились предсказывать не только структуру для заданного химического вещества, но и стабильные химические формулы. Например, вопрос из моего детства: стабильный хлорид натрия — это NaCl. Почему не Na₂Cl, например, или NaCl₂? Кто может дать ответ на этот вопрос? Любой химик скажет, что у натрия валентность 1, у хлора валентность 1, поэтому сочетаться они могут только в пропорции 1:1. Ионная связь, большая разность электроотрицательностей, поэтому натрий будет положительно заряженный, хлор — отрицательно, у натрия заряд +1, у хлора –1, электронейтральность дает вам только этот состав: NaCl. Другие составы невозможны.

Но что значит «невозможны»? Я могу взять листочек бумаги, нарисовать там структуру, состав которой будет не NaCl, а например Na₃Cl. Почему бы нет? Я могу такую структуру дать компьютеру. Квантово-механический расчет даст мне энергию этой структуры. Она будет не бесконечной. Она будет на какую-то конечную величину выше энергии стабильного состояния. А теперь представьте себе, что мы меняем условия: давление, температуру, электрические, магнитные поля. И эта энергия нестабильности, та самая энергия, которая делает мое гипотетическое вещество невозможным, будет либо увеличиваться (в таком случае оно станет еще более невозможным), либо уменьшаться. И при какой-то величине, например, давления мое вот это вот невозможное вещество станет устойчивым. И в таком случае его можно будет получить экспериментально.

Вопрос: происходит это или нет? Этот вопрос у меня был еще со школьных времен. Тогда у меня не было возможности ответить на этот вопрос, мне пришлось ждать много лет, чтобы разработать этот метод, который помогает отвечать на этот и многие другие вопросы. И ответ оказался очень интересным. 

Итак, одним расчетом мы теперь можем накрывать целую область составов, автоматически предсказывая, какие из них являются стабильными. Для системы натрий-хлор при низких давлениях только соединение с соотношением 1:1 (NaCl) стабильно, это мы и так знали, и квантово-механический расчет правильно это предсказывает. Но когда вы повышаете давление, возникают странные составы, такие, как NaCl₃, Na₄Cl₃, NaCl₇, Na₂Cl, Na₃Cl и так далее. Вещества, которые, вообще говоря, запрещены классической химией. Но правила классической химии были сформулированы на основе экспериментальных данных при атмосферном давлении, которое близко к нулю. Здесь же мы говорим о давлениях гораздо более высоких и теперь достаточно легко получаемых экспериментально. И экспериментаторы, которым я показал наши результаты, подтвердили наше предсказание. Вещество NaCl₃ действительно существует, равно как и Na₃Cl.

Почему именно эти соединения существуют, мы до сих пор не понимаем. Почему Na₃Cl, а не Na₄Cl, никто не знает. Возможно, здесь кроются какие-то новые правила химии, которые мы пока еще не понимаем. Когда-нибудь, может быть, поймем. 

В общем, возникают необычные химические соединения. Когда возникают необычные химические соединения, со странными составами и странной структурой, мы вправе ожидать необычных физических и химических свойств. Именно так и происходит. Мы обнаружили, что под высоким давлением — но, опять же, вполне достижимым экспериментально, порядка 1 млн атмосфер — натрий и гелий вступают в химическую реакцию. До сих пор ведь считалось, что гелий — самый инертный элемент таблицы Менделеева. Но, оказывается, не так уж он и инертен. Вслед за этой работой пошли и другие работы, которые доказали, что гелий вступает во множество химических реакций. И не только с натрием и оксидом натрия (оба были исследованы в нашей работе), но также и со льдом, оксидом кремния, фторидами магния и кальция. И, видимо, с множеством других соединений. Так что гелий совсем не такой инертный, как нам казалось.

Самый экзотический результат был получен китайскими исследователями, которые с помощью нашей программы изучали систему сера-водород. Cероводород, H₂S, вещество, которое дает неприятный запах тухлым яйцам, под давлением становится нестабильным и разлагается, а стабильным оказывается соединение с неожиданным составом: H₃S. И это соединение является высокотемпературным сверхпроводником. Буквально минуту назад я вам говорил, что если у вас есть соединение с необычным химическим составом и необычной кристаллической структурой, вы вправе ожидать самых необычных физических свойств. Так и оказывается. H₃S, необычное соединение, оказывается высокотемпературным сверхпроводником. Китайские ученые предсказали, что это вещество (правда, под высоким давлением, в 1,5–2 млн атмосфер) будет иметь сверхпроводимость при 200 К. 200 К — это –73 °С. Такие температуры уже есть на Земле: в Антарктиде, в Якутии. И это уже огромный шаг к комнатной сверхпроводимости. Раньше рекордом высокотемпературной сверхпроводимости было 138 К (а под давлением — 166 К), и вот такой большой прыжок совершен в 2014 году — до 200 К. 

Годом позже это предсказание было блестяще подтверждено работами российских экспериментаторов, часть которых работает в России, часть — в Германии. Они доказали, что H₃S под давлением имеет сверхпроводимость вплоть до 203 К, то есть –70 °С. Рекорд сверхпроводимости был побит. Но не окончательно. Этот рекорд будет еще побит, и не раз.

Вкратце расскажу вам о том, как такого рода эксперименты при высоких давлениях делаются. Берется пара алмазов с плоскими вершинками, между ними помещается металлическая прокладка. Между этими вершинками в дырочку металлической прокладки помещается образец. Вместе с образцом помещается маркер давления, по которому вы определяете, какое давление испытывает ваш образец. Туда же, в эту маленькую дырочку в металлической фольге, могут добавляться и другие вещества: например, поглотитель лазерного излучения для нагревания образца, а весь образец может помещаться в вещество, которое делает давление, более гидростатическим, более равномерно распределенным и всесторонним. Размер образца здесь составляет микроны, максимум — 100–200 мк, это диаметр этой дырочки в металлической фольге. Огромное искусство экспериментаторов — помещать, загружать туда образец. Это требует исключительной ловкости, опыта и твердости рук. 

Такого рода маленькие образцы изучаются с помощью различных физических проб. Например, если вы хотите изучить кристаллическую структуру, вам нужно измерить дифракцию рентгеновских лучей, обычные источники рентгеновского излучения не годятся, и вам потребуется использовать синхротронное излучение. 

Как я вам уже сказал, рекорд, поставленный на H₃S, уже побит новым веществом LaH₁₀. Это вещество тоже не вписывается в правила классической химии, это необычный гидрид. Но такого рода гидриды, причем много разных составов, образуются под давлением: LaH₉,LaH₆, LaH₄ — это всё необычные гидриды. LaH₃ — уже обычный гидрид, состав которого можно вывести из валентностей атомов.

Есть экспериментальное доказательство того, что LaH₁₀ — это действительно сверхпроводник, и того, что сверхпроводимость в этом веществе держится до температур 250–260 К, то есть –13 °С или –23 °С, в зависимости от того, верите вы больше цифре 250 или 260 К. Такого рода температура бывает уже в Москве. Не в Антарктиде, не в Якутии, а у нас за окном каждую зиму. 

Итак, мы уже сейчас находимся, согласно экспериментам, на пороге комнатной сверхпроводимости. В принципе, я мог бы на этой оптимистической ноте закончить эту лекцию, но у меня есть кое-что еще для вас. Мы в моей лаборатории очень активно изучаем сверхпроводимость гидридов. 

Совсем недавно мы изучили теоретически, а также экспериментально (один из моих аспирантов активно делает эксперименты) еще один необычный гидрид — BaH₁₂. BaH₁₂ имеет интересную структуру: она является производной от высокосимметричной кубической структуры, но там происходит так называемое пайерлсовское искажение, при котором структура понижает симметрию, трехмерный каркас в этой структуре разваливается на фрагменты из двух и трех атомов водорода, при этом число подвижных электронов падает. Это, видимо, тоже сверхпроводник, хоть и не самый высокотемпературный (его критическая температура — около 20 К). И с ростом давления она, видимо, будет расти. 

Гидрид иттрия YH₆ тоже обнаружен экспериментально в моей лаборатории моим аспирантом Дмитрием Семенком совместно с замечательным экспериментатором из Института кристаллографии Иваном Трояном. Опять же, необычный гидрид, не вписывающийся в правила классической химии. Но мы имеем очень хорошего качества экспериментальные данные, которые подтверждают эту необычную кристаллическую структуру и выдающуюся сверхпроводимость. И посмотрите, какая высокая температура сверхпроводимости у этого вещества. Очень близкая к рекорду: 224 К. И очень высокое критическое магнитное поле. Измерения не позволяют, просто нет такого оборудования, идти до величин критического магнитного поля, мы можем попробовать где-то до 20 Тл, а дальше — экстраполяция, и две теоретические экстраполяции дают несколько разные величины, но обе огромны: 116 Тл и 158 Тл. Эти величины, к слову, намного превосходят теоретическую оценку. И здесь возникает первый серьезный знак вопроса во всей этой последней истории: возможно, в таком веществе, как YH₆, присутствует какой-то необычный механизм сверхпроводимости в дополнение к стандартному механизму, основанному на колебаниях решетки. 

Так что, возможно, мы здесь не только рекорды ставим, но и стоим и на пороге открытия каких-то новых явлений. Будущее покажет.

Еще пять-шесть лет назад, я думаю, человека, который бы говорил о сверхпроводимости при таких температурах, осмеяли бы. Сейчас температура 250 К или 224 К — уже реальность. 

Итак, гидрид лантана, у которого 250–260 К, гидрид иттрия, у которого 224 К, — это гидриды редкоземельных металлов. А теперь посмотрим на другой редкоземельный металл — неодим. Всегда в химии считалось, что все редкоземельные элементы очень похожи химически, они ведут себя практически как близнецы. Оказывается, это не совсем так, а в отношении сверхпроводимости совершенно не так. Гидриды неодима, которые были предсказаны и получены экспериментально, не являются сверхпроводниками вообще. Они являются магнитными веществами. А магнитное упорядочение, как мы знаем, убивает сверхпроводимость, и сверхпроводимости здесь не получается. Так что, как выясняется, гидриды разных редкоземельных металлов ведут себя совсем по-разному. И редкоземельные металлы в отношении сверхпроводимости являются скорее антиподами друг другу, чем близнецами. Лично для меня это было сюрпризом.

Мы выявили очень тесную связь сверхпроводимости с периодическим законом Менделеева. Эта связь совсем не очевидна. Еще совсем недавно об этом вообще никто не говорил (удивительно, но факт), о связи сверхпроводимости с таблицей Менделеева лично я не слышал ни разу. Оказывается, эта связь очень тесная, по крайней мере для гидридных сверхпроводников. А может быть, и не только для гидридных. Самые интересные сверхпроводники образуются элементами из левой части периодической системы, примерно между 2-й и 3-й группами. Это то, что мы назвали «поясом лабильности». Потому что именно там, между 2-й и 3-й группами таблицы Менделеева, происходит перестройка электронной структуры. Она является замечательной предпосылкой для сильного взаимодействия электронной структуры и колебаний решетки. Когда вы смещаете атомы вокруг атома металла, заселенность его атомных уровней может очень сильно меняться. А это и есть проявление электронно-фононного взаимодействия — взаимодействия электронов с колебаниями решетки. 

Для этих элементов были предсказаны замечательные сверхпроводники: уже знакомый нам гидрид лантана, уже знакомый нам гидрид иттрия (причем несколько гидридов иттрия), гидрид кальция и разных других элементов. Чем дальше вы находитесь от этого пояса лабильности, тем хуже сверхпроводимость. Это и объясняет, почему гидрид лантана — такой замечательный сверхпроводник, гидрид церия — уже намного хуже, хотя тоже неплохой, гидрид празеодима — совсем плох, а гидрид неодима уже никуда не годится, даже если не учитывать магнетизм, там будет слабая сверхпроводимость, но с учетом магнетизма сверхпроводимость полностью погибает. И дальше в ряду лантаноидов всё уже не так интересно. С актиноидами очень похожая история. Предсказанные нами гидриды актиния AcH₁₀ и AcH₁₆ — удивительные высокотемпературные сверхпроводники, замечательным высокотемпературным сверхпроводником является предсказанный нами (а затем всего годом спустя нами же экспериментально полученный и исследованный совместно с Иваном Трояном) гидрид тория ThH₁₀ с экспериментально установленной критической температурой 161 К.  

Все высокотемпературные сверхпроводники являются соединениями с крайне необычными составами, такими как CaH₆, показанный здесь, YH₆ с такой же структурой, LaH₁₀, YH₁₀, AcH₁₀, ThH₁₀, AcH₁₆. Удивительные составы.

Вообще, вся эта история начиналась как история металлического водорода, в который мы вносим чуть-чуть примеси металла, который всего-то навсего отдает свои электроны и больше ничего не делает. Но, оказывается, делает. Оказывается, это совсем не металлический водород. Гидриды с одинаковым содержанием водорода, но разным металлом в каких-то случаях оказываются исключительными сверхпроводниками, а в каких-то — вообще не сверхпроводниками. Так что атом металла здесь тоже очень-очень важен.

Помните, я вам говорил, что сверхпроводимость растет с увеличением химической сложности? Кстати, не вполне понятно, почему так происходит, но вот происходит. Для чистых элементов сверхпроводимость слабая, для двойных соединений — уже выше, для тройных и четверных — очень хорошая. Всё, что я вам рассказывал про гидридные сверхпроводники, касалось двойных соединений: простой гидрид лантана, простой гидрид иттрия, простой гидрид серы… Представляете себе, что будет, если мы начнем делать тройные, четверные соединения? А мы уже начали: мы натренировали нейронную сеть на всех тех данных, которые у нас были по двойным соединениям, которые я уже показывал. Эта нейронная сеть позволяет предсказывать, какая будет максимальная температура сверхпроводимости для того или иного сочетания химических элементов. И было предсказано, что существует множество систем — десятки систем, десятки соединений — для которых сверхпроводимость достигается при температурах выше 200 К. Если мы идем к тройным системам, сверхпроводимость при такого рода температурах — выше 200 К, может быть, даже выше 300 К — является, в общем-то, не редкостью. Это совсем новые и пока что предварительные результаты, их еще не опубликовали. Но мы уже видим, что есть целый ряд систем, в которых сверхпроводимость имеет критическую температуру, подбирающуюся не только к комнатной температуре, но даже выше. Теперь вопрос, что покажет эксперимент.

Итак, я вам показал наши методы, которые могут быть использованы для предсказания кристаллических структур и более того — для предсказания стабильных химических соединений. Я вам показал, что химические соединения, которые возникают под давлением, очень часто не вписываются в правила классический химии. Необычные составы влекут за собой необычные свойства. Одним из таких свойств является рекордно высокотемпературная сверхпроводимость. Мы поговорили с вами о том, как эта гидридная сверхпроводимость побила все предыдущие рекорды. Подумайте только: рекорд, который держался столько лет, был 135, 138 К, нынешний рекорд — 250 К! Это уже на пороге комнатной сверхпроводимости. Но мы продолжаем мечтать, мы продолжаем искать, и наши предсказания уже подбираются к температурам за 300 К. Будущее покажет, удастся ли такого рода температуры в эксперименте достичь для сверхпроводимости.

Но, пожалуй, еще более важный вопрос вот какой: всё то, что я вам рассказывал про гидридную сверхпроводимость, относится к высоким давлениям: от 1 млн атмосфер и выше. Как изобрести сверхпроводники, которые существовали бы при обычном давлении? На этот вопрос пока ответа нет, но благодаря тем исследованиям, которые я вам показал, у нас уже есть целый ряд идей, как этого можно было бы достичь. 

Я бы хотел поблагодарить моих сотрудников, очень талантливых молодых ученых — Дмитрия Семенка, Александра Квашнина и Ивана Круглова, и наших коллег, без которых были бы невозможны эксперименты, — Ивана Трояна, вместе с которым Дмитрий Семенок сделал множество своих экспериментов, Александра Гончарова и Цзюн-Фу Линя из Техасского университета в Остине. Часть экспериментов делалась в сотрудничестве с ФИАНом и сотрудниками ФИАНа в том числе. Всех этих людей я с огромным удовольствием благодарю, и вас благодарю за внимание.

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ, состояние, в которое при низкой температуре переходят некоторые твердые электропроводящие вещества. Сверхпроводимость была обнаружена во многих металлах и сплавах и в некоторых полупроводниковых и керамических материалах, число которых все возрастает. Два из наиболее удивительных явлений, которые наблюдаются в сверхпроводящем состоянии вещества, – исчезновение электрического сопротивления в сверхпроводнике и выталкивание магнитного потока (см. ниже) из его объема. Первый эффект интерпретировался ранними исследователями как свидетельство бесконечно большой электрической проводимости, откуда и произошло название сверхпроводимость.

Исчезновение электрического сопротивления может быть продемонстрировано возбуждением электрического тока в кольце из сверхпроводящего материала. Если кольцо охладить до нужной температуры, то ток в кольце будет существовать неограниченно долго даже после удаления вызвавшего его источника тока. Магнитный поток – это совокупность магнитных силовых линий, образующих магнитное поле. Пока напряженность поля ниже некоторого критического значения, поток выталкивается из сверхпроводника, что схематически показано на рис. 1.

Твердое тело, проводящее электрический ток, представляет собой кристаллическую решетку, в которой могут двигаться электроны. Решетку образуют атомы, расположенные в геометрически правильном порядке, а движущиеся электроны – это электроны с внешних оболочек атомов. Поскольку поток электронов и есть электрический ток, эти электроны называются электронами проводимости. Если проводник находится в нормальном (несверхпроводящем) состоянии, то каждый электрон движется независимо от других. Способность любого электрона перемещаться и, следовательно, поддерживать электрический ток ограничивается его столкновениями с решеткой, а также с атомами примесей в твердом теле. Чтобы в проводнике существовал ток электронов, к нему должно быть приложено напряжение; это значит, что проводник имеет электрическое сопротивление. Если же проводник находится в сверхпроводящем состоянии, то электроны проводимости объединяются в единое макроскопически упорядоченное состояние, в котором они ведут себя уже как «коллектив»; на внешнее воздействие реагирует также весь «коллектив». Столкновения между электронами и решеткой становятся невозможными, и ток, однажды возникнув, будет существовать и в отсутствие внешнего источника тока (напряжения). Сверхпроводящее состояние возникает скачкообразно при температуре, которая называется температурой перехода. Выше этой температуры металл или полупроводник находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Температура перехода данного вещества определяется соотношением двух «противоположных сил»: одна стремится упорядочить электроны, а другая – разрушить этот порядок. Например, тенденция к упорядочиванию в таких металлах, как медь, золото и серебро, столь мала, что эти элементы не становятся сверхпроводниками даже при температуре, лежащей лишь на несколько миллионных кельвина выше абсолютного нуля. Абсолютный нуль (0 К, –273,16° С) – это нижняя граница температуры, при которой вещество теряет все свое тепло. Другие металлы и сплавы имеют температуры перехода в диапазоне от 0,000325 до 23,2 К (см. таблицу). В 1986 были созданы сверхпроводники из керамических материалов с необычайно высокой температурой перехода. Так, для образцов керамики YBa₂Cu₃O₇ температура перехода превышает 90 К (см. также ТЕПЛОТА).

Сверхпроводящее состояние физики называют макроскопическим квантово-механическим состоянием. Квантовая механика, которой обычно пользуются для описания поведения вещества в микроскопическом масштабе, здесь применяется в макроскопическом масштабе. Именно то обстоятельство, что квантовая механика здесь позволяет объяснить макроскопические свойства вещества, и делает сверхпроводимость столь интересным явлением.

Открытие.

Очень много сведений о металле дает соотношение между внешним напряжением и вызванным им током. Вообще говоря, это соотношение имеет вид равенства V/I = R, где V – напряжение, I – ток, а R – электрическое сопротивление. Согласно этому закону (закону Ома), электрический ток пропорционален напряжению при любом значении величины R, которая является коэффициентом пропорциональности. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.

Сопротивление обычно не зависит от тока, но зависит от температуры. Получив в 1908 жидкий гелий, Г.Камерлинг-Оннес из Лейденского университета (Нидерланды) стал измерять сопротивление чистой ртути, погруженной в жидкий гелий, и обнаружил (1911), что при температурах жидкого гелия сопротивление ртути падает до нуля. Позднее было установлено, что многие другие металлы и сплавы тоже становятся сверхпроводящими при низких температурах.

Следующее важное открытие было сделано в 1933 немецким физиком В.Мейсснером и его сотрудником Р.Оксенфельдом. Они обнаружили, что если цилиндрический образец поместить в продольное магнитное поле и охладить ниже температуры перехода, то он полностью выталкивает из себя магнитный поток. Эффект Мейсснера, как назвали это явление, был важным открытием, поскольку благодаря ему физикам стало ясно, что сверхпроводимость – квантово-механическое явление. Если бы сверхпроводимость заключалась только в исчезновении электрического сопротивления, то ее можно было пытаться объяснить законами классической физики.

СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ

В физической литературе часто называют сверхпроводниками вещества или материалы, которые при разных условиях могут находиться в сверхпроводящем или несверхпроводящем состоянии. Один и тот же простой (состоящий из одинаковых атомов) металл, сплав или полупроводник может в каких-то интервалах температур или внешних магнитных полей быть сверхпроводящим; при температурах или полях бóльших критических значений – это обычный (принято говорить – нормальный) проводник.

После открытия эффекта Мейсснера было выполнено большое число экспериментов со сверхпроводниками. Среди исследованных свойств были:

1) Критическое магнитное поле – значение поля, выше которого сверхпроводник находится в нормальном состоянии. Критические поля обычно лежат в интервале от нескольких десятков гаусс до нескольких сотен тысяч гаусс в зависимости от сверхпроводника и его металлофизического состояния. Критическое поле данного сверхпроводника меняется с температурой, уменьшаясь при ее повышении. При температуре перехода критическое поле равно нулю, а при абсолютном нуле оно максимально (рис. 2).

2) Критический ток – максимальный постоянный ток, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. Как и критическое магнитное поле, критический ток сильно зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.

3) Глубина проникновения – расстояние, на которое магнитный поток проникает в сверхпроводник. Глубина проникновения оказывается функцией температуры и различна в разных материалах: от 3Ч10^–6 до 2Ч10^–5 см. Магнитный поток выталкивается из сверхпроводника токами, циркулирующими в поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения.

Чтобы понять, почему выталкивается магнитный поток, т.е. чем обусловлен эффект Мейсснера, нужно вспомнить, что все физические системы стремятся к состоянию с минимальной энергией. Магнитное поле обладает некоторой энергией. У сверхпроводника в магнитном поле энергия увеличивается. Но она снова понижается благодаря тому, что в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи. Эти токи создают магнитное поле, которым компенсируется поле, приложенное извне. Энергия сверхпроводника выше, чем в отсутствие внешнего магнитного поля, но ниже, чем в том случае, когда поле проникает внутрь его.

Полное выталкивание магнитного потока энергетически выгодно не для всех сверхпроводников. В некоторых материалах состояние с минимальной энергией в магнитном поле достигается, если некоторые из линий магнитного потока частично проникают в вещество, образуя мозаику из сверхпроводящих областей, где магнитное поле отсутствует, и нормальных, где оно есть.

4) Длина когерентности – расстояние, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние. Электроны в пределах длины когерентности движутся согласованно – когерентно (как бы «в ногу»). Длина когерентности для разных сверхпроводников изменяется от 5Ч10^–7 до 10^–4 см. С существованием больших длин когерентности (намного превышающих атомные размеры порядка 10^–8 см) связаны необычные свойства сверхпроводников.

5) Удельная теплоемкость – количество теплоты, необходимое для того, чтобы повысить температуру 1 г вещества на 1 К. Удельная теплоемкость сверхпроводника резко возрастает вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние, и довольно быстро уменьшается с понижением температуры. Таким образом, в области перехода для повышения температуры вещества в сверхпроводящем состоянии требуется больше теплоты, чем в нормальном состоянии, а при очень низких температурах – наоборот. Так как удельная теплоемкость определяется в основном электронами проводимости, это явление указывает на то, что состояние электронов изменяется.

ТЕОРИИ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

До 1957 большинство попыток объяснить экспериментальные данные носило феноменологический характер: они базировались на искусственных предположениях или нестрогих модификациях существующих теорий и имели целью достижение согласия с экспериментом. Примером попыток первого типа может служить двухжидкостная модель, в которой постулируется, что при температуре перехода некоторая часть электронов проводимости приобретает способность двигаться, не испытывая сопротивления. Эта модель объясняет температурную зависимость критического поля, критический ток и глубину проникновения, но ничего не дает для физического понимания самого явления, т.к. не объясняет такой частичной сверхпроводимости.

Прогресс был достигнут в 1935, когда физики-теоретики, братья Ф. и Г.Лондоны предложили рассматривать сверхпроводимость как макроскопический квантовый эффект. (Ранее были известны только квантовые эффекты, наблюдающиеся в атомных масштабах – порядка 10^–8 см.) Лондоны таким образом модифицировали классические уравнения электромагнетизма, что из них следовали эффект Мейсснера, бесконечная проводимость и ограниченная глубина проникновения. В начале 1950-х годов А.Пиппард из Кембриджского университета показал, что такое квантовое состояние в действительности является макроскопическим, охватывая расстояния до 10^–4 см, т.е. в 10 000 раз превышающие атомный радиус.

Хотя эти попытки и были важны, они не затрагивали сути основного взаимодействия, которым обусловлена сверхпроводимость. Некоторые указания на природу этого взаимодействия появились в начале 1950-х годов, когда было открыто, что температура сверхпроводящего перехода металлов, построенных из разных изотопов одного и того же элемента, неодинакова. Оказалось, что чем больше атомная масса, тем ниже температура перехода. (Изотопы одного и того же элемента имеют одно и то же число электронов, но разные массы ядер.) Изотопический эффект указывал на то, что температура перехода зависит от массы атомов кристаллической решетки и, следовательно, сверхпроводимость не является чисто электронным эффектом.

Электроны в металлах.

Открытие изотопического эффекта означало, что сверхпроводимость, вероятно, вызывается взаимодействием между электронами проводимости и атомами кристаллической решетки. Чтобы выяснить, как это приводит к сверхпроводимости, нужно рассмотреть структуру металла. Как и все кристаллические твердые тела, металлы состоят из положительно заряженных атомов, расположенных в пространстве в строгом порядке. Порядок, в котором размещены атомы, можно сравнить с повторяющимся рисунком на обоях, но только рисунок должен повторяться в трех измерениях. Электроны проводимости движутся среди атомов кристалла со скоростями от 0,01 до 0,001 скорости света; их движение и есть электрический ток.

Теория Бардина – Купера – Шриффера (БКШ).

В 1956 Л.Купер из университета шт. Иллинойс показал, что если электроны притягиваются друг к другу, то, сколь бы слабым ни было это притяжение, они должны «конденсироваться» в связанное состояние. Можно предположить, что это связанное состояние и есть искомое сверхпроводящее состояние. Как представлял себе Купер, такое притяжение возможно между двумя электронами и должно приводить к образованию связанных пар (получивших название куперовских), перемещающихся в кристаллической решетке.

Но еще в 1950 Г.Фрелих высказал предположение, что электроны могут притягиваться друг к другу за счет взаимодействия с атомами решетки. Этот механизм притяжения называется электрон-фононным взаимодействием; он состоит в следующем. Электрон, движущийся в кристаллической решетке, как бы искажает ее. Это обусловлено взаимодействием между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными атомами решетки. Движущийся через решетку электрон «сближает» ее атомы. Второй электрон затем втягивается в «суженную область» под усиленным действием положительного заряда. Энергия первого электрона, затрачиваемая на «деформацию решетки», передается без потерь второму члену куперовской пары. Такая пара движется по решетке, обмениваясь энергией через атомы решетки, но не теряя при этом своей энергии в целом (рис. 3).

Такое взаимодействие в какой-то мере аналогично поведению двух тяжелых шариков на резиновой мембране. Когда один шарик катится, он прогибает мембрану так, что второй шарик следует в его «кильватере». Электроны, будучи одноименно заряжены, в отличие от шариков взаимно отталкиваются. Однако это взаимное отталкивание оказывается сильным только тогда, когда электроны находятся очень близко друг к другу, и быстро уменьшается по мере их удаления. Во взаимодействии с участием решетки, или электрон-фононном взаимодействии, электроны достаточно удалены друг от друга (на расстояние порядка 5Ч10^–7–10^–4 см). На таких расстояниях отталкивание электронов мало по сравнению с электрон-фононным взаимодействием, в результате чего электроны эффективно притягиваются друг к другу. (Фонон – это квант колебательной энергии кристаллической решетки.)

До сих пор мы рассматривали только одну куперовскую пару, тогда как в действительности в 1 см³ вещества находится примерно 10²⁰ куперовских пар. Легко представить себе, что искажение решетки, создаваемое одной куперовской парой, могло бы нарушить притяжение в других парах. В 1957 Дж.Бардин, Л.Купер и Дж.Шриффер предложили так называемую теорию БКШ (Бардина – Купера – Шриффера), за которую они были удостоены в 1972 Нобелевской премии по физике. Согласно этой теории, пары образуют когерентное состояние, в котором все они имеют один и тот же импульс. Говорят, что эти когерентные электроны находятся в едином квантовом состоянии; они образуют так называемую квантовую, или сверхтекучую, жидкость. Эта когерентность электронов в большом масштабе – замечательная макроскопическая демонстрация квантовых принципов.

Теория БКШ объясняет многие из свойств сверхпроводников, о которых мы уже говорили. Электроны в сверхпроводнике переходят в коллективное состояние таким образом, что их потенциальная энергия становится минимальной. Двигаясь совместно, электроны притягиваются друг к другу посредством механизма электрон-фононного взаимодействия, и потенциальная энергия системы оказывается меньшей, чем в случае двух электронов, не притягивающих друг друга. Сверхпроводник в таком коллективном состоянии способен противодействовать повышающему энергию действию тока или магнитного поля; отсюда следует температурная зависимость критического тока и поля. Выше температуры перехода электроны имеют слишком много тепловой энергии и «возбуждаются», т.е. переходят из сверхпроводящего состояния с более низкой энергией в нормальное, более высокоэнергетическое состояние.

Изотопический эффект объясняется тем, что в более легких изотопах решетка «возмущается» с меньшими затратами энергии. Решетку из более тяжелых изотопов труднее деформировать, и поэтому переход к сверхпроводимости происходит при более низких температурах. Теория БКШ также объясняет, почему хорошие проводники, такие, как медь и золото, не являются сверхпроводниками. Электроны проводимости в этих веществах легко проходят сквозь атомную решетку, почти не взаимодействуя с ней. Это делает такие материалы хорошими электрическими проводниками, поскольку в них теряется мало энергии из-за рассеяния решеткой. Для достижения же сверхпроводящего состояния необходимо сильное взаимодействие между атомами решетки и электронами. По этой причине очень хорошие проводники электричества, как правило, не бывают сверхпроводниками.

Сверхпроводники 1-го и 2-го рода.

По своему поведению в магнитных полях сверхпроводники разделяются на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода обнаруживают те идеальные свойства, о которых уже говорилось. В присутствии магнитного поля в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи, которые полностью компенсируют внешнее поле в толще образца. Если сверхпроводник имеет форму длинного цилиндра и находится в поле, параллельном его оси, то глубина проникновения может быть порядка 3Ч10^–6 см. При достижении критического поля сверхпроводимость исчезает и поле полностью проникает внутрь материала. Критические поля для сверхпроводников 1-го рода лежат обычно в пределах от 100 до 800 Гс. Хотя у сверхпроводников 1-го рода малая глубина проникновения, они имеют большую длину когерентности – порядка 10^–4 см.

Сверхпроводники 2-го рода характеризуются большой глубиной проникновения (около 2Ч10^–5 см) и малой длиной когерентности (5Ч10^–7 см). В присутствии слабого магнитного поля (меньше 500 Гс) весь магнитный поток выталкивается из сверхпроводника 2-го рода. Но выше Н_с1 – первого критического поля – магнитный поток проникает в образец, хотя и в меньшей степени, чем в нормальном состоянии. Это частичное проникновение сохраняется до второго критического поля – Н_с2, которое может превышать 100 кГс. При полях, больших Н_с2, поток проникает полностью, и вещество становится нормальным. Характеристики различных сверхпроводников представлены в таблице.

Таблица: Критические температуры и поля

КРИТИЧЕСКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПОЛЯ
Материалы	Критическая температура, К	Критические поля (при 0 К), Гс
Сверхпроводники 1-го рода
Родий	0,000325	0,049
Титан	0,39	60
Кадмий	0,52	28
Цинк	0,85	55
Галлий	1,08	59
Таллий	2,37	180
Индий	3,41	280
Олово	3,72	305
Ртуть	4,15	411
Свинец	7,19	803
Сверхпроводники2-го рода		Hc1	Hc2
Ниобий	9,25	1735	4040
Nb3Sn	18,1	–	220 000
Nb3Ge	23,2	–	400 000
Pb1Mo5,1S6	14,4	–	600 000
Yba2Cu3O7	90–100	1000*	1 000 000*
* Экстраполировано к абсолютному нулю.

Эффект Джозефсона.

В 1962 Б.Джозефсон, аспирант Кембриджского университета, размышляя над тем, что будет, если сблизить два сверхпроводника на расстояние нескольких ангстрем, высказал предположение, что куперовские пары должны за счет «туннельного» эффекта переходить из одного сверхпроводника в другой при нулевом напряжении.

Было предсказано два замечательных эффекта. Во-первых, через туннельный сверхпроводящий контакт (переход, представляющий собой два сверхпроводника, разделенные слоем диэлектрика) возможно протекание сверхпроводящего (бездиссипативного) тока. Критическое значение этого тока зависит от внешнего магнитного поля. Во-вторых, если ток через контакт превосходит критический ток перехода, то контакт становится источником высокочастотного электромагнитного излучения. Первый из этих эффектов называют стационарным эффектом Джозефсона, второй – нестационарным. Оба эффекта хорошо наблюдаются экспериментально. В частности, наблюдались осцилляции максимального сверхпроводящего тока через переход при увеличении магнитного поля. Если ток, задаваемый внешним источником, превысит критическое значение, то на переходе появляется напряжение V, периодически зависящее от времени. Частота колебаний напряжения зависит от того, насколько ток через контакт превышает его критическое значение.

Конечно, сблизить два сверхпроводника на расстояние нескольких ангстрем невозможно. Поэтому в экспериментах на подложку напылялся тонкий слой сверхпроводящего материала, такого, как алюминий, затем он окислялся с поверхности на глубину нескольких ангстрем, а сверху напылялся еще один слой алюминия. Напомним, что оксид алюминия – диэлектрик. Такой «сэндвич» эквивалентен двум сверхпроводникам, расположенным на расстоянии нескольких ангстрем друг от друга.

Эффект Джозефсона обусловлен фазовыми соотношениями между электронами в сверхпроводящем состоянии. Выше говорилось, что суть сверхпроводящего состояния – в когерентном движении куперовских пар через атомную решетку. Когерентность куперовских пар сверхпроводника определяется тем, что пары электронов движутся «в фазе». Куперовские же пары двух разных сверхпроводников движутся «не в фазе». Так, каждый солдат марширующей роты идет в ногу с любым другим солдатом своей роты, но не в ногу с солдатами другой роты. Если два сверхпроводника тесно приблизить друг к другу, то куперовские пары могут туннелировать через зазор между ними. При туннелировании фаза куперовской пары изменяется. Если изменение таково, что куперовская пара начинает идти «в ногу» с парами во втором сверхпроводнике, то туннелирование возможно. Это и происходит в стационарном эффекте Джозефсона. Величиной магнитного поля определяется сдвиг фазы, который приобретают туннелирующие пары.

Нестационарный эффект Джозефсона возникает, когда ток через переход превышает критическое значение для стационарного эффекта Джозефсона. Между двумя сверхпроводниками возникает напряжение, которое вынуждает фазы в двух сверхпроводниках изменяться во времени. Это в свою очередь приводит к колебаниям туннельного тока (с изменением его направления) в соответствии с изменениями разности фаз в двух сверхпроводниках.

ПРИМЕНЕНИЯ

С 1911 по 1986 было исследовано очень много сверхпроводящих металлов и сплавов, но наивысшая измеренная температура перехода составляла 23,2 К. Для охлаждения до такой температуры требовался дорогостоящий жидкий гелий (⁴Не). Поэтому наиболее успешные применения сверхпроводимости оставались на уровне лабораторных экспериментов, для которых не требуется больших количеств жидкого гелия.

В конце 1986 К.Мюллер (Швейцария) и Й.Беднорц (Германия), работая в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, обнаружили, что керамический проводник, построенный из атомов лантана, бария, меди и кислорода, имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние, равную 35 К. Вскоре исследовательские группы в разных странах мира изготовили керамические материалы с температурой перехода от 90 до 100 К, которые способны оставаться сверхпроводниками (2-го рода, см. выше) в магнитных полях до 200 кГс.

Керамические сверхпроводники весьма перспективны в плане крупномасштабных применений, главным образом по той причине, что их можно изучать и использовать при охлаждении сравнительно недорогим жидким азотом.

Лабораторные применения.

Первым промышленным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями. Доступные сверхпроводящие магниты позволили получить к середине 1960-х годов магнитные поля выше 100 кГс даже в небольших лабораториях. Ранее создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало очень больших количеств электроэнергии для поддержания электрического тока в обмотках и огромного количества воды для их охлаждения.

Следующее практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать напряжения порядка 10^–15 Вт. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10^–9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики.

Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких, как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.

Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.

Промышленные применения.

Наиболее интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной.

Еще одно возможное применение сверхпроводников – в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии, в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большие скорости. Экспериментальные поезда на магнитной подвеске в Японии и Германии достигли скоростей, близких к 300 км/ч.

Сверхпроводимость — История

Открытие сверхпроводимости

Еще до открытия сверхпроводимости было известно, что охлаждение металл увеличил свою проводимость — за счет уменьшения электрон-фононного взаимодействия (подробно в разделе Теория).
После «открытия» сжиженного гелия, позволяющего охлаждать объекты с точностью до 4 КБ от абсолютного нуля было обнаружено (Оннес, 1911), что когда ртуть остыла до 4.15K, его сопротивление внезапно (и неожиданно) упал до нуля (т.е. стал сверхпроводником).

Слева: Когда Оннес охладил ртуть до 4,15К, сопротивление внезапно упало до нуля

В 1913 году было обнаружено, что свинец становится сверхпроводящим при 7,2 К. Это Затем было 17 лет, пока ниобий не обнаружил сверхпроводимость при более высоких температура 9.2К.
Оннес также заметил, что нормальные характеристики проводимости могут быть восстановлены. в присутствии сильного магнитного поля.

Эффект Мейснера

Только в 1933 году физики узнали о другом свойстве сверхпроводников — совершенный диамагнетизм. Это было тогда, когда Мейснер и Ошенфельд обнаружил, что сверхпроводящий материал охлаждается ниже своего критическая температура в магнитном поле исключена магнитный поток.Этот эффект теперь известен как эффект Мейснера. эффект (- вы можете увидеть видео QuickTime в действии из этого связь).

Вверху: Эффект Мейснера — сверхпроводящий сфера в постоянном приложенном магнитном поле исключает магнитное флюс

Предел напряженности внешнего магнитного поля, при котором сверхпроводник можно исключить поле, известное как критическая напряженность поля , В _с .Сверхпроводники
типа II имеют два критических напряженность поля; B _c1 , выше которого поле проникает в сверхпроводник, и B _c2 , выше которого сверхпроводимость разрушается, согласно B _c для типа Я сверхпроводники.

Теория сверхпроводимости

Фриц и Хайнц Лондон предложили уравнения для объяснения эффекта Мейснера. и предсказать, как далеко магнитное поле может проникнуть в сверхпроводник, но только в 1950 году был достигнут значительный теоретический прогресс, с теорией Гинзбурга-Ландау, которая объяснила сверхпроводимость и предоставила вывод для уравнений Лондона.

Теория Гинзбурга-Ландау была в значительной степени вытеснена теорией БКШ, которая занимается сверхпроводимостью более микроскопическим образом.
Теория BCS была предложена J. B ardeen, L. C ooper и J. R. S chrieffer в 1957 году — это рассматривается в Теории раздел. BCS предлагает формирование так называемой «Куперской пары и хорошо коррелирует с предсказаниями Гинзбурга-Ландау и Лондона.
Однако теория BCS плохо учитывает высокие температурная сверхпроводимость, которая до сих пор полностью не изучена.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Самая высокая известная температура, при которой материал становится сверхпроводящим. увеличивается медленно, поскольку ученые открывают новые материалы с более высокими значениями T _c , но именно в 1986 году была обнаружена система Ba-La-Cu-O до сверхпроводимости при 35К — безусловно, самый высокий из когда-либо обнаруженных.Это было интересно поскольку теория BCS предсказывала теоретический предел от 30-40K до _{тенге c} (из-за тепловых колебаний).
Вскоре были обнаружены материалы, которые будут сверхпроводить при температуре выше 77К — плавление точка жидкого азота, что намного безопаснее и дешевле, чем жидкий гелий в качестве хладагента. Хотя высокотемпературные сверхпроводники более полезны выше 77K, термин технически относится к этим материалам что сверхпроводник выше 30-40К.
В 1994 году рекорд для T _c составлял 164K при давлении ниже 30 ГПа. для HgBa ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _{8 + x} .

Открытие сверхпроводимости, обозначенное как веха в области электротехники и вычислений IEEE

8 апреля 2011 года в Лейдене, Нидерланды, проф. Хайке Камерлинг-Оннес и его коллеги, Корнелис Дорсман, Геррит Ян Флим и Жиль Холст, открыли сверхпроводимость. был назван вехой IEEE в области электротехники и вычислительной техники.Мемориальная доска была установлена ​​в здании, где это открытие было сделано 100 лет назад. Программа IEEE Milestones in Electrical Engineering and Computing Program отмечает значительные технические достижения, которые произошли по крайней мере 25 лет назад в технологических областях, связанных с IEEE.

Этой вехой был номер 110 ^-й , который был одобрен Советом директоров IEEE с момента создания программы IEEE Milestone в 1983 году.

Мемориальная доска вехи была подарена Лейденскому университету проф.Моше Кам, президент и генеральный директор IEEE, принят г-ном Виллемом Те Бистом, вице-председателем Исполнительного совета Лейденского университета. Презентация была частью однодневного празднования открытия сверхпроводимости, которое включало беседы об истории низкотемпературных исследований в Лейдене, открытии и текущих применениях сверхпроводимости и перспективах будущих исследований в области материалов. Более двухсот ученых и инженеров со всего мира приняли участие в симпозиуме и приняли участие в церемонии открытия.Празднование было совместно организовано и спонсировано Советом IEEE по сверхпроводимости, Университетом Лейдена, Секцией Бенилюкса IEEE, Музеем Бурхааве (Лейден) и Philips Research.

Сверхпроводимость — один из самых поразительных эффектов в физике, при котором электрическое сопротивление некоторых материалов падает до «практически нуля» при температурах ниже критической, уникальной для каждого сверхпроводящего материала. Впервые его наблюдали 8 апреля 1911 года профессор Камерлинг-Оннес и его сотрудники из Лейденского университета при измерении сопротивления ртути при температурах всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (-273 ° C).В своей записной книжке профессор Камерлинг-Оннес отметил, что «Kwik (zilver) nagenoeg nul», что буквально переводится как «ртуть, близкая к нулю», или, возможно, «ртуть практически равна нулю», что является более общепринятым переводом. За последние 100 лет сверхпроводимость наблюдалась у более чем 10 000 элементов, соединений, смесей и сплавов с самой высокой известной на сегодняшний день температурой перехода минус 100 ° C. Всесторонняя микроскопическая теория сверхпроводимости в металлах была предложена в 1957 году Джоном Бардином, Леоном Купером и Робертом Шриффером (так называемая теория «БКШ»), за которую они получили Нобелевскую премию по физике.В общей сложности четыре Нобелевские премии по физике были присуждены ученым за их исследования в области сверхпроводимости. Для получения дополнительной информации о сверхпроводимости, а также списка ссылок и ссылок, пожалуйста, обратитесь к форме назначения IEEE Milestone.

---

Сверхпроводимость | ЦЕРН

В 1911 году, изучая свойства вещества при очень низкой температуре, голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес и его команда обнаружили, что электрическое сопротивление ртути падает до нуля ниже 4.2 К (-269 ° С). Это было самое первое наблюдение явления сверхпроводимости. Большинство химических элементов становятся сверхпроводящими при достаточно низкой температуре.

Сверхпроводящие герои несмотря на нули

Ниже определенной «критической» температуры материалы переходят в сверхпроводящее состояние, которое характеризуется двумя основными свойствами: во-первых, они не оказывают сопротивления прохождению электрического тока. Когда сопротивление падает до нуля, внутри материала может циркулировать ток без потери энергии.Во-вторых, при условии, что они достаточно слабые, внешние магнитные поля не проникают в сверхпроводник, а остаются на его поверхности. Это явление вытеснения поля известно как эффект Мейснера в честь физика, который впервые наблюдал его в 1933 году.

Три имени, три буквы и неполная теория

Обычная физика не может адекватно объяснить сверхпроводящее состояние, как и элементарная квантовая теория твердого состояния, которая рассматривает поведение электронов отдельно от поведения ионов в кристаллической решетке.Только в 1957 году трое американских исследователей — Джон B ardeen, Леон C ooper и John S chrieffer — создали микроскопическую теорию сверхпроводимости. Согласно их теории «БКШ», электроны группируются в пары посредством взаимодействия с колебаниями решетки (так называемые «фононы»), образуя «куперовские пары», которые перемещаются внутри твердого тела без трения. Твердое тело можно рассматривать как решетку положительных ионов, погруженных в облако электронов.Когда электрон проходит через эту решетку, ионы слегка перемещаются, притягиваемые отрицательным зарядом электрона. Это движение создает электрически положительную область, которая, в свою очередь, притягивает другой электрон. Энергия взаимодействия электронов довольно мала, и пары легко разрушаются под действием тепловой энергии — вот почему сверхпроводимость обычно возникает при очень низкой температуре. Однако теория БКШ не предлагает объяснения существования «высокотемпературных» сверхпроводников при температуре около 80 К (-193 ° C) и выше, для которых необходимо задействовать другие механизмы взаимодействия электронов.

Тип I или Тип II, разные состояния

Сверхпроводящее состояние может быть разрушено повышением температуры или приложенным магнитным полем, которое затем проникает в материал и подавляет эффект Мейснера. С этой точки зрения различают два типа сверхпроводников. Материалы типа I остаются в сверхпроводящем состоянии только при относительно слабых приложенных магнитных полях. Выше заданного порога поле резко проникает в материал, разрушая сверхпроводящее состояние.И наоборот, сверхпроводники типа II допускают локальное проникновение магнитного поля, что позволяет им сохранять свои сверхпроводящие свойства в присутствии сильных приложенных магнитных полей. Такое поведение объясняется существованием смешанного состояния, в котором сверхпроводящие и несверхпроводящие области сосуществуют внутри материала. Сверхпроводники типа II сделали возможным использование сверхпроводимости в сильных магнитных полях, что привело, среди прочего, к разработке магнитов , для ускорителей частиц.

DOE объясняет … Сверхпроводимость | Министерство энергетики

При температурах, которые большинство людей считает «нормальными», все материалы обладают некоторым электрическим сопротивлением. Это означает, что они сопротивляются потоку электричества так же, как узкая труба сопротивляется потоку воды. Из-за сопротивления некоторая энергия теряется в виде тепла, когда электроны проходят через электронику в наших устройствах, таких как компьютеры или сотовые телефоны. Для большинства материалов это сопротивление сохраняется даже при охлаждении материала до очень низких температур.Исключение составляют сверхпроводящие материалы. Сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов проводить электричество постоянного тока (DC) без потерь энергии, когда они охлаждаются ниже критической температуры (обозначаемой как T _c ). Эти материалы также излучают магнитные поля при переходе в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость — одно из самых интригующих квантовых явлений в природе. Он был обнаружен более 100 лет назад в ртути, охлажденной до температуры жидкого гелия (около -452 ° F, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля).Вначале ученые могли объяснить, что происходит в сверхпроводимости, но почему и как сверхпроводимость оставались загадкой в ​​течение почти 50 лет.

В 1957 году три физика из Университета Иллинойса использовали квантовую механику для объяснения микроскопического механизма сверхпроводимости. Они предложили радикально новую теорию того, как отрицательно заряженные электроны, которые обычно отталкиваются друг от друга, образуют пары ниже T _c . Эти парные электроны удерживаются вместе колебаниями атомного уровня, известными как фононы, и вместе пары могут перемещаться через материал без сопротивления.За свое открытие эти ученые получили Нобелевскую премию по физике в 1972 году.

После открытия сверхпроводимости ртути это явление наблюдалось и в других материалах при очень низких температурах. Материалы включали несколько металлов и сплав ниобия и титана, из которого легко можно было сделать проволоку. Провода поставили перед исследованием сверхпроводников новую задачу. Отсутствие электрического сопротивления в сверхпроводящих проводах означает, что они могут выдерживать очень высокие электрические токи, но выше «критического тока» электронные пары распадаются, и сверхпроводимость разрушается.С технологической точки зрения, провода открыли для сверхпроводников совершенно новые возможности, включая намотанные катушки для создания мощных магнитов. В 1970-х годах ученые использовали сверхпроводящие магниты для создания сильных магнитных полей, необходимых для разработки аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ). Совсем недавно ученые представили сверхпроводящие магниты для направления электронных лучей в синхротронах и ускорителях на объектах научных пользователей.

В 1986 году ученые открыли новый класс материалов на основе оксида меди, которые проявляли сверхпроводимость, но при гораздо более высоких температурах, чем металлы и металлические сплавы, использовавшиеся ранее в этом веке.Эти материалы известны как высокотемпературные сверхпроводники. Хотя их все еще необходимо охлаждать, они обладают сверхпроводимостью при гораздо более высоких температурах — некоторые из них при температурах выше жидкого азота (-321 ° F). Это открытие обещало революционные новые технологии. Также было высказано предположение, что ученые смогут найти сверхпроводящие материалы при комнатной температуре или близкой к ней.

С тех пор многие новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы были обнаружены на основе обоснованных предположений в сочетании с экспериментами методом проб и ошибок, включая класс материалов на основе железа.Однако также стало ясно, что микроскопическая теория, описывающая сверхпроводимость в металлах и металлических сплавах, неприменима к большинству этих новых материалов, поэтому тайна сверхпроводимости снова бросает вызов научному сообществу. Недавние эксперименты с материалами на основе водорода под чрезвычайно высоким давлением подтвердили теоретическое предсказание сверхпроводимости при температурах, приближающихся к комнатной.

Департамент науки и сверхпроводимости Министерства энергетики США

Департамент науки Министерства энергетики США (Департамент фундаментальных энергетических наук) поддерживает исследования высокотемпературных сверхпроводящих материалов с момента их открытия.Исследование включает теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разгадку тайны сверхпроводимости и открытие новых материалов. Несмотря на то, что полное понимание квантового механизма еще предстоит открыть, ученые нашли способы повысить сверхпроводимость (увеличить критическую температуру и критический ток) и обнаружили множество новых семейств высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Каждый новый сверхпроводящий материал дает ученым возможность приблизиться к пониманию того, как работает высокотемпературная сверхпроводимость и как разрабатывать новые сверхпроводящие материалы для передовых технологических приложений.

Факты о сверхпроводимости

• Сверхпроводимость была открыта в 1911 году Хайке Камерлинг-Оннес. За это открытие, разжижение гелия и другие достижения он получил Нобелевскую премию по физике 1913 года.
• Пять Нобелевских премий по физике присуждены за исследования в области сверхпроводимости (1913, 1972, 1973, 1987 и 2003).
• Примерно половина элементов в таблице Менделеева демонстрирует низкотемпературную сверхпроводимость, но в приложениях сверхпроводимости часто используются более простые в использовании или менее дорогие сплавы.Например, аппараты МРТ используют сплав ниобия и титана.

Ресурсы и связанные с ними термины

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики США, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспевать в исследованиях по всему научному спектру.

10 фактов о сверхпроводимости, которые вы могли не знать

Это фундаментальное свойство некоторых материалов было обнаружено голландским ученым Хайке Камерлинг-Оннес из Лейденского университета.

Около 16:00 8 апреля 1911 года он охладил ртуть до 4,19 градусов Кельвина и обнаружил, что его инструменты внезапно показали нулевое сопротивление. Два года спустя он получил Нобелевскую премию по физике за это достижение.

СВЯЗАННЫЙ С : Магнетизм — и тайна — сверхпроводимости: поиск того, почему сверхпроводники работают.

Вот 10 фактов о сверхпроводимости, которых вы можете не знать:

1. Оннес также был первым, кто создал жидкий гелий, что он и сделал 10 июля 1908 года.Гелий становится жидким при 4,2 К и является предпочтительным теплоносителем для низкотемпературных сверхпроводников в таких современных приложениях, как ускорители частиц, сверхпроводящие магниты, магнитно-резонансная томография и ядерный магнитный резонанс.
2. До того, как Оннес создал жидкий гелий, самая низкая температура, доступная исследователям, составляла 14 К от твердого водорода.
3. Оннес первоначально назвал свое открытие «сверхпроводимостью», но позже остановился на термине «сверхпроводимость», который мы используем сегодня.
4. Первые эксперименты Оннеса по сопротивлению при низких температурах были сосредоточены на золоте и платине. Позже он перешел на ртуть, потому что ее легче было получить в чистом виде. В то время ученые полагали, что чрезвычайно чистые металлы, скорее всего, будут иметь нулевое сопротивление при температурах жидкого гелия.
5. Через год после открытия сверхпроводимости в чистой ртути Оннес экспериментировал со сплавом золото-ртуть и обнаружил, что он тоже становится сверхпроводящим при 4,2 К. Он записал в своем блокноте, что «большая часть времени, потраченного на получение чистой ртути… может, следовательно, спасены… »
Новаторский эксперимент
6. Оннеса 8 апреля 1911 года также включал первое наблюдение сверхтекучего перехода жидкого гелия.Сверхтекучие жидкости действуют как жидкости без вязкости, бесконтрольно текущие даже вверх и через стенки своих контейнеров.
7. В 1986 году Георг Беднорц и Алекс К. Мюллер из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе открыли материал на основе лантана, который стал сверхпроводящим при 35 K, рекордно высокой для того времени температуре.
8. В 1987 году Пол Чу из Хьюстонского университета заменил иттрий в соединении Беднорца и Мюллера и получил оксид иттрия-бария-меди с температурой перехода 92 К.Этот материал вызвал огромный ажиотаж в научном сообществе по двум причинам: он обещал однажды достичь сверхпроводимости при комнатной температуре, и это был первый материал, который мог стать сверхпроводником с охлаждением жидким азотом вместо жидкого гелия. По сравнению с гелием, азота гораздо больше (он составляет почти четыре пятых атмосферы Земли), и его гораздо проще производить и обрабатывать. Ученые часто объясняли разницу, говоря: «Жидкий гелий стоит столько же, сколько виски, но жидкий азот дешевле пива.”
9. Аргоннский физик Алексей Абрикосов был удостоен Нобелевской премии по физике 2003 г. за свои работы по теории сверхпроводимости; он предсказал существование магнитных вихрей в сверхпроводниках.
10. За исследования в области сверхпроводимости присуждены пять Нобелевских премий по физике:

• 1913 — Хайке Камерлинг-Оннес о материи при низкой температуре.
• 1972 — Джон Бардин, Леон Н. Купер и Дж. Роберт Шрайффер за теорию сверхпроводимости.
• 1973 — Лео Эсаки, Ивар Гайвер и Брайан Д.Джозефсона за туннелирование в сверхпроводниках.
• 1987 — Георг Беднорц и Алекс К. Мюллер за высокотемпературную сверхпроводимость.
• 2003 — Алексей Абрикосов, Виталий Н. Гинзбург и Энтони Дж. Леггетт за новаторский вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей.

БОНУС: Аргоннская национальная лаборатория проводит ряд «первых» фундаментальных и прикладных исследований сверхпроводников:

• Создание первого в мире сверхпроводящего линейного ускорителя тяжелых ионов, аргоннской тандемно-линейной ускорительной системы.
• Первые американцы, начавшие экструдировать высокотемпературный сверхпроводящий провод (25 марта 1987 г.)
• Первый, сообщивший о правильной структуре недавно открытого высокотемпературного сверхпроводника на основе оксида иттрия, бария и меди ( Applied Physics , 6 июня 1987 г.).
• Впервые успешно пропустил электрический ток через провод из оксида иттрия-бария-меди: 125 ампер на квадратный сантиметр при 77 градусах Кельвина (3 сентября 1987 г.).
• Первый в мире двигатель, основанный на свойствах высокотемпературных сверхпроводников (дек.30 января 1987 г.)

Открытие сверхпроводимости в квазикристалле

Характеристики образца

Приготовленные здесь образцы представляют собой QC на основе Al – Zn – Mg, 2 / 1AC и 1 / 1AC, которые представлены на тройной фазовой диаграмме (рис. 2). Как сообщается в исх. ¹⁵ , 1 / 1AC имеют широкий диапазон составов. В этой статье каждый образец 1 / 1AC с различным составом идентифицируется с помощью буквенного символа, например, 1 / 1AC_A. 1 / 1AC_G является исходным сплавом QC и имеет почти тот же состав, что и 2 / 1AC.Отметим, что упомянутый выше сплав Mg ₃ Zn ₃ Al ₂ близок к образцу 1 / 1AC_E. 6 m_i {\ mathbf {e}} _ {i \ parallel}.$

(2)

Здесь множество целых чисел, m _i , представляет индекс отражения. Векторы \ ({\ mathbf {e}} _ {i \ parallel} \) имеют длину, равную \ (1 / \ sqrt 2 \), и они параллельны линиям, соединяющим центр икосаэдра и окружающее пространство. шесть вершин, как на рис. 6 исх. ¹⁹ . Параметр решетки \ (a_ {6 {\ mathrm {D}}} \) 6D гиперкубической решетки может быть связан с длиной ребра \ (a _ {\ mathrm {R}} \) ромбоэдрических ячеек трехмерной структуры Пенроуза мозаика следующим образом:

$$ a _ {\ mathrm {R}} = a_ {6 {\ mathrm {D}}} / \ sqrt 2.$

(3)

Далее мы сосредоточимся на QC, 2 / 1AC и 1 / 1AC_G (исходный сплав для QC). Характерные их дифрактограммы показаны на рис. 3b, что подтверждает почти однофазность. Пики дифракции QC были проиндексированы с использованием параметра решетки 6D, \ (a _ {{\ mathrm {6D}}} = 0,7308 \ pm 0,0001 \) нм. Отсутствие каких-либо условий погасания указывает на P-тип икосаэдрического QC. Для 2 / 1AC пики помечаются с помощью параметра решетки \ (a _ {{\ mathrm {2/1}}} = 2.3006 \ pm 0,0004 \) нм, что указывает на кубическую фазу P-типа. Интенсивность высока для отражения 850 (\ (d = 0,244 \) нм) и отражения 583 (\ (d = 0,232 \) нм). Обратите внимание, что эти индексы представляют собой комбинацию последовательных чисел Фибоначчи. Для 1 / 1AC_G были получены аналогичные результаты: пики были проиндексированы с параметром решетки a _1/1 = 1,4195 ± 0,0003 нм для кубического кристалла I-типа. Обратите внимание, что отражение 530 с шагом \ (d = 0,243 \) нм и отражение 352 с \ (d = 0.230 мкм имеют сильную интенсивность. Эти индексы снова представляют собой комбинацию последовательных чисел Фибоначчи, и они соответствуют 211111 и 221001 отражениям QC, соответственно.

Полученные выше размеры элементарной ячейки удовлетворяют следующему уравнению ^20,21 ,

$$ a_ {F_ {n — 1} / F_ ​​{n — 2}} = \ sqrt {2 / \ left ({2 + \ tau} \ right)} (F_ {n — 1} \ tau + F_ {n — 2}) a_ {6 {\ mathrm {D}}}. $$

(4)

Это обеспечивает назначение образцов контроля качества и переменного тока.{\ circ} \), мы оценили длину корреляции как 47, 85 и 28 нм для QC, 2 / 1AC и 1 / 1AC_G соответственно. Сравнение между ними позволяет предположить, что 1 / 1AC_G является метастабильным в составе Al _14,9 Mg _44,1 Zn _41,0 . Для дальнейшего сравнения мы оценили длину корреляции 1 / 1AC_A как более 65 нм, что вдвое больше значения 1 / 1AC_G. Это различие в качестве образца дало бы зависимость физических свойств образца для разных AC (дополнительный рисунок 2).

Электронограммы QC, 2 / 1AC и 1 / 1AC_G показаны на рис. 3c – g. На рисунке 3c показана пятикратная дифракционная картина симметрии \ (m \ bar 3 \ bar 5 \) QC. Индексы отражений A и B равны \ (1220 \ bar 10 \) и 221001 соответственно. Увеличенное изображение (Рис. 3d), включая отражение B, показывает отклонение от точного правильного пятиугольника для более слабых отражений, что указывает на наличие линейной фазонной деформации ²² . На рис. 3д показана двукратная дифракционная картина КК.3 \) — масштабирование соответствует P-типу икосаэдрического КК. На рис. 3f и g показаны дифракционные картины 2 / 1AC и 1 / 1AC_G, соответственно, с падающим лучом вдоль каждого направления [001]. 2/1 и 1 / 1AC показывают не четырехчастную, а двучастную ось. На рис. 3е индексы отражений D и E равны 10 00 и 850 2 / 1AC соответственно. Мы наблюдаем условие отражения, что \ (h \) четно для отражений \ (h00 \) и \ (hk0 \). Отражения \ (0k0 \) с нечетным \ (k \) должны исчезнуть после выполнения этого условия отражения, но на самом деле они наблюдаются из-за множественных дифракционных эффектов.Это наблюдение согласуется с пространственной группой \ (Pa \ overline 3 \), предложенной для 2 / 1AC ¹⁷ . На рис. 3g отражения F и G соответствуют 600 и 530 отражениям 1 / 1AC, соответственно. Обратите внимание на условие отражения \ (h + k + l = {\ mathrm {even}} \) для отражения \ (hkl \), которое согласуется с указанной космической группой \ (I {\ it {m}} \ overline { \ mathrm {3}} \) ¹⁸ .

Удельное электрическое сопротивление

На рисунке 4a показано удельное электрическое сопротивление, нормированное на удельное сопротивление при \ (T = 280 \) K, \ (\ rho / \ rho _ {280 \ {{K}}}} \), как функцию температура \ (Т \) в логарифмическом масштабе.Следует отметить три момента. Во-первых, все изученные здесь материалы показывают нулевое удельное сопротивление. Во-вторых, \ (\ rho _ {280 \ {\ mathrm {K}}} \) QC и 2 / 1AC составляет ~ 150 \ (\ mu \ Omega \, {\ rm {cm}} \), больше, чем у всех образцов 1 / 1AC (вставка на рис. 4а). В-третьих, в то время как все образцы 1 / 1AC демонстрируют металлическое поведение, QC и 2 / 1AC показывают отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления, \ (\ mathrm {d} \ rho / \ mathrm {d} {\ it T} < 0 \) (рис. 4б).

Рис. 4

Удельное электрическое сопротивление. a Температурная зависимость нормированного электросопротивления. \ (\ rho _ {280 \ {\ mathrm {K}}} \) обозначает удельное сопротивление при Тл, = 280 К. Построенные на графике образцы представляют собой образцы 1 / 1AC_A, E, F, G в литом состоянии, отожженные 1 / 1AC_B, образцы C, D, образец 2 / 1AC и образец QC. 1 / 1AC_G — это материнский слиток QC. Врезка: удельное электрическое сопротивление при \ (T = \) 280 К как функция содержания алюминия. Пунктирная линия — это ориентир для глаз: обратите внимание, что удельное сопротивление QC и 2 / 1AC больше, чем у образцов 1 / 1AC. b Температурная зависимость нормированного удельного сопротивления QC и 2 / 1AC в расширенном масштабе ниже 50 К. Данные сдвинуты по вертикали для наглядности. Обратите внимание, что они показывают отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления

. Проводимость QC в нормальном состоянии иногда обсуждалась с использованием концепции локализации Андерсона ⁹ . В данном случае он остается открытым, если вторая и третья точки, упомянутые выше, показывают предвестник локализации электронов в QC и 2 / 1AC.2 \), получаем коэффициенты \ (\ gamma \) и \ (\ beta \) для каждой выборки. Температура Дебая \ (\ it \ Theta _ {\ mathrm {D}} \) выводится из \ (\ beta \) и отображается на рис. 5b как функция содержания Al, что хорошо согласуется с предыдущим отчетом ¹⁵ . Мы подтверждаем, что \ (\ it \ Theta _ {\ mathrm {D}} \) почти не зависит от содержания Al. Информацию о зависимости коэффициента электронной теплоемкости \ (\ gamma \) от содержания алюминия см. Ниже.

Рис. 5

Удельная теплоемкость в нормальном состоянии.2 \) в нормальном состоянии. Пиковая аномалия при низкой температуре связана с возникновением сверхпроводимости. b Температура Дебая \ (\ it \ Theta _ {\ mathrm {D}} \), вычисленная из \ (\ beta \). Обратите внимание, что \ (\ it \ Theta _ {\ mathrm {D}} \) почти не зависит от содержания Al

Связь между

T _c и \ (1 / {\ mathbf {\ gamma}} \)

На рисунке 6a показана температура сверхпроводящего перехода \ (T _ {\ mathrm {c}} \), определяемая нулевым сопротивлением, как функция содержания Al.Обратите внимание, что нулевое сопротивление соответствует скачку теплоемкости (см. Ниже) и, следовательно, показывает объемный переход сверхпроводимости. По мере уменьшения содержания Al \ (T _ {\ mathrm {c}} \) монотонно уменьшается с ∼0,8 до ∼0,2 K, за которым следует резкое падение до ~ 0,05 K при содержании 15% Al (соответствует QC, 2 / 1AC и 1 / 1AC_G).

Рис. 6

Связь между температурой перехода и коэффициентом \ (\ gamma \). a Температура сверхпроводящего перехода \ (T _ {\ mathrm {c}} \) как функция содержания Al.Обратите внимание, что \ (T _ {\ mathrm {c}} \) показывает резкое падение при содержании Al около 15%, что соответствует QC и 2 / 1AC. b Электронный коэффициент удельной теплоемкости \ (\ gamma \) как функция содержания Al. Небольшое падение при содержании Al 15% указывает на образование псевдощели. c Корреляция между \ (T _ {\ mathrm {c}} \) и \ (1 / \ gamma \). Прямая линия обозначает взаимосвязь \ (\ ln T _ {\ mathrm {c}} \ propto 1 / \ gamma \), обозначающую постоянное парное взаимодействие

На рисунке 6b показана зависимость коэффициента теплоотдачи электроники от содержания алюминия \ ( \ gamma \), выведенные из рис.5а. Мы наблюдаем, что \ (\ gamma \) монотонно убывает с содержанием Al, предполагая, что плотность состояний при энергии Ферми \ (E _ {\ mathrm {F}} \), \ (D \ left ({E _ {\ mathrm { F}}} \ right) \) уменьшается с увеличением содержания Al. Обратите внимание, что \ (\ gamma \) немного падает при содержании 15% Al, что, вероятно, связано с эффектом электронной стабилизации, т.е. образованием псевдощели из-за так называемого механизма Юма – Розери ¹⁵ .

Чтобы увидеть связь между \ (T _ {\ mathrm {c}} \) и \ (\ gamma \), мы строим график \ (\ ln T _ {\ mathrm {c}} \) против \ (1 / \ gamma \) на рис.{- 1 / VD \ left ({E _ {\ mathrm {F}}} \ right)}. $$

(5)

Здесь \ (V \) — эффективное электрон-электронное взаимодействие с условием слабой связи \ (| VD \ left ({E _ {\ mathrm {F}}} \ right) | \ ll 1 \). Поскольку \ (\ it {\ Theta} _ {\ mathrm {D}} \) почти не зависит от содержания Al в настоящей системе, как упоминалось выше, уравнение. (5) приводит к соотношению \ (\ ln T _ {\ mathrm {c}} \ propto 1 / \ gamma \), если \ (V \) одинаково среди образцов. Это просто наблюдается здесь, а это означает, что эффективное взаимодействие \ (V \) остается привлекательным и неизменным по величине при изменении расположения атомов от AC к QC и \ (T _ {\ mathrm {c}} \) полностью определено. автор \ (D \ left ({E _ {\ mathrm {F}}} \ right) \).

Объемный переход сверхпроводимости в КК

Обратим внимание на сверхпроводящий переход КК. (См. Дополнительный рисунок 2 для образцов переменного тока.) В \ (T _ {\ mathrm {c}} \), отмеченном падением сопротивления (рис. 7a), действительная часть магнитной восприимчивости на переменном токе ( χ ′) становится равной отрицательный (рис. 7b), сигнализируя об экранирующем эффекте, связанном с нулевым сопротивлением. При охлаждении образца через \ (T _ {\ mathrm {c}} \) под действием внешнего магнитного поля намагниченность постоянного тока \ (M \) становится диамагнитной (рис.7в), что свидетельствует об исключении магнитного потока из-за эффекта Мейснера. Как видно на рис. 7d, удельная теплоемкость, деленная на температуру \ (C _ {\ mathrm {e}} / T \), показывает большой скачок (\ ({\ mathrm {\ delta}} C _ {\ mathrm {e}} / T _ {\ mathrm {c}} \ sim 1.2 \ gamma \)) в \ (T _ {\ mathrm {c}} \), где \ (C _ {\ mathrm {e}} \) обозначает электронную часть конкретного тепла, полученного вычитанием доли решетки из измеренной теплоемкости, а \ ({\ mathrm {\ delta}} C _ {\ mathrm {e}} \) указывает высоту прыжка \ (C _ {\ mathrm {e}} \).Это указывает на то, что почти все подвижные электроны в образце участвуют в сверхпроводимости. Это убедительно свидетельствует о возникновении объемной сверхпроводимости в КК.

Рис. 7

Физические свойства вокруг \ (T _ {\ tt c} \) квазикристалла. Температурная зависимость нормированного электросопротивления ( a ), действительной части магнитной восприимчивости на переменном токе ( b ), намагниченности постоянного тока при внешнем магнитном поле приблизительно 4 мЭ ( c ) и электронной части удельная теплоемкость, деленная на температуру ( d ) для образца QC.Пунктирной линией отмечена температура перехода \ (T _ {\ mathrm {c}} \ приблизительно 0,05 \) K

На рис. 8 мы показываем нормированную удельную теплоемкость \ (C _ {\ mathrm {e}} / \ gamma T \) QC и 1 / 1AC_A как функция приведенной температуры \ (t = T / T _ {\ mathrm {c}} \). (Представленный здесь образец QC отличается от показанного на рис. 7d.) Мы видим, что данные QC и 1 / 1AC хорошо согласуются друг с другом. Обратите внимание, что оба результата совместимы с теорией BCS (см. Сплошную линию), единственной доступной теорией в настоящее время для сравнения с экспериментом, хотя базовая температура эксперимента недостаточно низкая, чтобы подтвердить экспоненциальный хвост \ (C_ { \ mathrm {e}} (t) \) при очень низких температурах.Согласие с теорией означает наступление дальнего порядка куперовских пар с открытием полного зазора ∆ , характеризуемого соотношением \ (2 {\ it \ Delta} = 3.5k _ {\ mathrm {B}} T_ { \ mathrm {c}} \) (где \ (k _ {\ mathrm {B}} \) — постоянная Больцмана).

Рис. 8

Удельная теплоемкость вокруг сверхпроводящего перехода. Нормализованная удельная теплоемкость, деленная на температуру как функция приведенной температуры \ (t = T / T _ {\ tt c} \) для QC (с \ (T _ {\ mathrm {c}} \ приблизительно 0.05 \) K) и 1 / 1AC_A (\ (T _ {\ mathrm {c}} \ приблизительно 0,8 \) K). Здесь \ (C _ {\ mathrm {e}} \) — электронная часть теплоемкости. Сплошная линия обозначает теорию БКШ слабой связи. Обратите внимание, что оба результата образцов QC и 1 / 1AC совместимы с теорией слабой связи

Сверхпроводящее критическое поле

Зависимость удельного электрического сопротивления \ (\ rho (H) \) от магнитного поля показана на рис. .Нулевое сопротивление определяет верхнее критическое поле \ (H _ {{\ mathrm {c}} 2} \), показанное на вставке к рис.10. Обратите внимание, что 1 / 1AC_F имеет в несколько раз больше \ (H _ {{\ mathrm {c}} 2} \), чем металл Al, в то время как у него в несколько раз меньше \ (T _ {\ mathrm {c}} \ ). Это исключает возможность того, что сверхпроводимость может возникать из-за примесной фазы, полученной из алюминия. Объединяя отношения, \ (\ kappa = H _ {{\ mathrm {c}} 2} (0) / \ sqrt 2 H _ {\ mathrm {c}} \ left (0 \ right) \) и \ (H _ {\ mathrm {c}} \ left (0 \ right) = T _ {\ mathrm {c}} \ sqrt {5.94 \ gamma} \) (где \ (\ kappa \) — так называемый параметр GL, \ (H_ { {\ mathrm {c}} 2} (0) \) и \ (H _ {\ mathrm {c}} \ left (0 \ right) \) — верхнее и термодинамическое критическое поля, экстраполированные к нулевой температуре, соответственно), мы оцениваем \ (\ kappa \) как 136, 128 и 337 для QC, 2 / 1AC и 1 / 1AC_F соответственно.2 \) (где \ (\ phi _0 \) — квант потока) как \ (\ xi \ left (0 \ right) \ sim \) 139, 143 и 83 нм для QC, 2 / 1AC и 1 / 1AC_F соответственно.

Рис. 9

Магнитосопротивление при постоянной температуре. Зависимость нормированного электрического сопротивления от магнитного поля образца 1 / 1AC_F ( a ), образца 2 / 1AC ( b ) и образца QC ( c ). \ (\ rho _n \) обозначает удельное сопротивление в нормальном состоянии.

Рис. 10

Сверхпроводящее верхнее критическое поле.Сверхпроводящие верхние критические поля \ (H _ {\ tt c2} \) QC, 2 / 1AC, 1 / 1AC_F нанесены на график в виде \ (h = — H _ {{\ mathrm {c}} 2} / (T _ {\ mathrm {c}} \ mathrm {d} H _ {{\ mathrm {c}} 2} / \ mathrm {d} T | _ {T = T _ {\ mathrm {c}}}) \) vs \ (t = T / T _ {\ mathrm {c}} \). Сплошная кривая обозначает теорию Вертхамера – Гельфанда – Хоэнберга в грязном пределе. На вставке показаны \ (H _ {{\ mathrm {c}} 2} (T) \) тех же образцов, что и в основном кадре. Отметим, что верхнее критическое поле в пределе нулевой температуры 1 / 1AC_F (\ (H _ {\ tt c2} (0) \ cong 500 \) Oe) существенно превышает поле металла Al (\ (\ sim 100 \) Э), исключая возможность того, что сверхпроводимость может возникнуть из-за примесной фазы, полученной из алюминия

Приведенное верхнее критическое поле определяется как \ (h = — H _ {{\ mathrm {c}} 2} / (T _ {\ mathrm { c}} \ mathrm {d} H _ {{\ mathrm {c}} 2} / \ mathrm {d} T | _ {T = T _ {\ mathrm {c}}}) \) и показан на рис.10 как функция приведенной температуры (\ (t = T / T _ {\ mathrm {c}} \)). Сравним \ (h (t) \) с теорией Вертхамера – Гельфанда – Хоэнберга (WHH) ²³ , которая учитывает длину свободного пробега электронов (\ (l \)), спин-орбитальное рассеяние и спиновый парамагнетизм. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с теорией (сплошная линия) для случая отсутствия спиновых парамагнитных или спин-орбитальных эффектов и в грязном пределе (\ (\ xi \ left (0 \ right) \ gg l \)), в котором рассеяние на физических и химических примесях велико по сравнению со сверхпроводящей запрещенной зоной.Эта сверхпроводимость с грязным пределом кажется совместимой с большой длиной когерентности, оцененной выше, и большим остаточным сопротивлением (т.е. малым средним пробегом), показанным на рис. 4. С другой стороны, настоящая система отличается от некоторых грязных систем ²⁴ в которая \ (h (t) \) была усилена по сравнению с теорией WHH в результате индуцированного полем подавления локализации.

Фермилаб Сегодня

Аллен Руси (слева) и Дэн Турриони из группы исследований и разработок в области сверхпроводников осматривают кабельную машину, используемую для изготовления сверхпроводящего кабеля Nb 3 Al.

Сто лет назад, в апреле 1911 года, голландский ученый Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость. Изучая электрическое сопротивление чистой ртути при очень низких температурах, Оннес обнаружил, что сопротивление ртути внезапно упало до нуля в районе 4,2 Кельвина (см. Рисунок). Ученые обнаружили, что подобные переходы происходят и в других металлах, и окрестили это явление сверхпроводимостью.

С 1911 года мы открыли сверхпроводники среди химических элементов, сплавов, керамики и органических материалов, которые могут переносить очень сильные электрические токи без электрического сопротивления.Эти материалы идеально подходят для разработки мощных магнитов и других приложений. Их развитие и наше улучшенное понимание сверхпроводимости проложили путь для таких приложений, как сверхпроводящие магниты в ускорителях, устройствах МРТ и парящих поездах; различные применения в электроэнергетике; и новые устройства для ускорения частиц, известные как сверхпроводящие радиочастотные резонаторы.

Fermilab имеет долгую историю передовых исследований в области сверхпроводящих магнитов для ускорителей.Кроме того, лаборатория много лет занимается разработкой и испытанием сверхпроводящих ВЧ-резонаторов из ниобия (см. Эту статью в журнале Symmetry .

Группа исследований и разработок в области сверхпроводников в отделе магнитных систем Технического отдела работает над новыми материалами и технологиями для сверхпроводящих ускорительных магнитов для различных проектов Fermilab и нескольких лабораторий. Он располагает оборудованием и опытом, необходимыми для изготовления кабелей, намотки небольших катушек, испытаний прядей и кабелей, обработки прядей и исследования материалов.Наши эксперты работают в тесном сотрудничестве с промышленностью, чтобы улучшить характеристики сверхпроводников, и сотрудничают с другими лабораториями и университетами, чтобы улучшить фундаментальное понимание нитей, кабелей и магнитов. Результатом этой работы являются спецификации материалов и технические данные для проектирования и изготовления ускорительного магнита.

График Оннеса электрического сопротивления ртути в зависимости от температуры

Для повышения яркости LHC мы разрабатываем надежные и экономичные ускорительные магниты с магнитными полями 11-15 Тесла.Мы используем ниобий-три-олово (Nb ₃ Sn), низкотемпературный сверхпроводник, который широко используется для соленоидов с сильным полем и других типов магнитов в термоядерном синтезе, физике твердого тела и других областях исследований. Этот материал может создавать более сильные магнитные поля, чем ниобий-титановый проводник, используемый в магнитах Tevatron и LHC, но он требует совершенно иной технологии изготовления магнита. Мы также работали с ниобий-три-алюминием. В 2010 году ученые Fermilab и их сотрудники в Японии выиграли престижную Премию в области науки и технологий в области сверхпроводников за исследование кабеля из сплава Nb ₃ Al с высокой устойчивостью к деформациям.Эта работа продолжается в сотрудничестве с ЦЕРН.