Какие металлы обладают сверхпроводимостью

Обновлено: 19.05.2024

Явление сверхпроводимости. У многих металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления. Это явление получило название сверхпроводимости, а температуру Тсв, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, называют критической температурой перехода. Впервые сверхпроводимость была обнаружена у ртути (Tсв = 4,2 К) голландским физиком X. Каммерлинг-Оннесом.

Если в кольце из сверхпроводника индуцировать электрический ток (например, с помощью магнитного поля), то он не будет затухать в течение длительного времени. По скорости уменьшения магнитного поля наведенного тока в кольце была произведена оценка удельного сопротивления материалов в сверхпроводящем состоянии. Его значение составило около 10–26 Ом · м, что в 1017 раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре.

Физическая природа сверхпроводимости. Явление сверхпроводимости можно понять и обосновать только с помощью квантовых представлений. Почти полвека с момента открытия сущность этого явления оставалась неразгаданной из-за того, что методы квантовой механики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела. Микроскопическая теория сверхпроводимости, объясняющая все опытные данные, была предложена в 1957г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шриффером (теория БКШ). Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы советского академика Н. Н. Боголюбова.

Согласно установившимся представлениям, явление сверхпроводимости возникает в том случае, когда электроны в металле притягиваются друг к другу. Притяжение электронов возможно только в среде, содержащей положительно заряженные ионы, поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания между электронами. Притягиваться могут лишь те электроны, которые принимают участие в электропроводности, т.е. расположенные вблизи уровня Ферми. Если такое притяжение имеет место, то электроны с противоположным направлением импульса и спина связываются в пары, называемые куперовскими.В образовании куперовских пар решающую роль играют взаимодействие электронов с тепловыми колебаниями решетки – фононами. В твердом теле электроны могут как поглощать, так и порождать фононы. Мысленно представим себе следующий процесс: один из электронов, взаимодействуя с решеткой, переводит ее в возбужденное соcтояние и изменяет свой импульс; другой электрон, также взаимодействуя с решеткой, переводит ее в нормальное состояние и тоже изменяет свой импульс. В результате состояние решетки не изменяется, а электроны обмениваются квантами тепловой энергии – фононами.

Обменное фононное взаимодействиеи вызывает силы притяжения между электронами, которые превосходят силы кулоновского отталкивания. Обмен фононами при участии решетки происходит непрерывно.

В упрощенном виде обменное фононное взаимодействие проиллюстрировано схемой на рис. 4. Электрон, движущийся среди положительно заряженных ионов, поляризует решетку, т.е. электростатическими силами притягивает к себе ближайшие ионы. Благодаря такому смещению ионов в окрестности траектории электрона локально возрастает плотность положительного заряда. Второй электрон, движущийся вслед за первым, естественно, может притягиваться областью с избыточным положительным зарядом. В результате косвенным образом, за счет взаимодействия с решеткой между электронами 1 и 2, возникают силы притяжения. Второй электрон становится партнером первого – образуется куперовская пара. Поскольку силы притяжения невелики, спаренные электроны слабо локализованы в пространстве. Эффективный диаметр куперовской пары имеет порядок 10–7 м, т.е. охватывает тысячи элементарных ячеек. Эти парные образования перекрывают друг друга, постоянно распадаются и вновь создаются, но в целом все пары образуют электронный конденсат, энергия которого за счет внутреннего взаимодействия меньше, чем у совокупности разобщенных нормальных электронов. Вследствие этого в энергетическом спектре сверхпроводника появляется энергетическая щель 2D – область запрещенных энергетических состояний (рис. 5). Спаренные электроны располагаются на дне энергетической щели. Грубая оценка показывает, что количество таких электронов составляет около 10–4 от общего их числа. Размер энергетической щели зависит от температуры, достигая максимального значения при абсолютном нуле и полностью исчезая при Т = Тсв. Теория БКШ дает следующую связь ширины щели с критической температурой перехода:

Рис. 4. Схема образования электронных пар в сверхпроводящем металле

Рис. 5. Распределение электронов по энергиям в металле в состоянии сверхпроводимости

Формула (1.1) достаточно хорошо подтверждается экспериментально. Для большинства сверхпроводников энергетическая щель составляет 10–4 – 10–3 эВ.

Как было показано, электрическое сопротивление металла обусловлено рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки и на примесях. Однако при наличии энергетической щели для перехода электронов из основного состояния в возбужденное требуется достаточная порция тепловой энергии, которую при низких температурах электроны не могут получить от решетки, поскольку энергия тепловых колебаний меньше ширины щели. Именно поэтому спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенностью куперовских пар является их импульсная упорядоченность, состоящая в том, что все пары имеют одинаковый импульс и не могут изменять свои состояния независимо друг от друга. Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковые длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры. Такая согласованность в поведении пар обусловлена высокой мобильностью электронного конденсата: непрерывно меняются наборы пар, происходит постоянная смена партнеров.

При абсолютном нуле все электроны, расположенные вблизи уровня Ферми, связаны в пары. С повышением температуры за счет тепловой энергии происходит разрыв некоторой части электронных пар, вследствие чего уменьшается ширина щели. Движение неспаренных электронов, переходящих с основных уровней на возбужденные, затрудняется рассеянием на дефектах решетки. При температуре Т= Тсвпроисходит полный разрыв всех пар, ширина щели обращается в нуль, сверхпроводимость исчезает.

Переход вещества в сверхпроводящее состояние при его охлаждении происходит в очень узком интервале температур (сотые доли градуса). Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решетки, границами зерен, пластической деформацией и т.п., не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызывают лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое. Электроны, ответственные за создание сверхпроводимости, не обмениваются энергией с решеткой. Поэтому при температуре ниже критической наблюдается существенное уменьшение теплопроводности металлов.

Магнитные свойства сверхпроводников. Важнейшая особенность сверхпроводников состоит в том, что внешнее магнитное поле совершенно не проникает в толщу образца, затухая в тончайшем слое. Силовые линии магнитного поля огибают сверхпроводник. Это явление, получившее название эффекта Мейснера, обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, который полностью компенсирует внешнее поле в толще образца. Глубина, на которую проникает магнитное поле, обычно составляет 10–7 – 10–8 м. Таким образом, сверхпроводники по магнитным свойствам являются идеальными диамагнетиками с магнитной проницаемостью μ = 0. Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. При этом эффект выталкивания выражен настолько сильно, что открываются возможности удерживать груз в пространстве с помощью магнитного поля. Аналогичным образом можно заставить висеть постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала, в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие токи (опыт В. К. Аркадьева).

Состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность магнитного поля превысит некоторое критическое значение Hсв. По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводности под действием магнитного поля различают сверхпроводники I и II рода. У сверхпроводников I рода этот переход происходит скачкообразно, как только напряженность поля достигнет критического значения. Сверхпроводники II рода переходят из одного состояния в другое постепенно; для них различают нижнюю Hсв1 и верхнюю Hсв2 критические напряженности поля. В интервале между ними материал находится в промежуточном гетерогенном состоянии, в котором сосуществуют нормальная и сверхпроводящая фазы. Соотношение между их объемами зависит от Н. Таким образом, магнитное поле постепенно проникает в сверхпроводник II рода. Однако материал сохраняет нулевое сопротивление вплоть до верхней критической напряженности поля.

Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если он превышает некоторое критическое значение Iсв.

Сверхпроводящие материалы. Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Следует заметить, что сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях. К ним относятся золото, медь, серебро. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние. Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия. Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент – жидкий водород.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I-го рода можно превратить в сверхпроводник II-го рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тсв = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiO3), относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей (GeTe, SnTe, CuS и др.).

В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологическими трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллидов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово из бронзы диффундирует в ниобий, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb3Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми.

Применение сверхпроводников. Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники. Разработаны крупномасштабные долгосрочные программы промышленного использования сильноточной сверхпроводимости.

Одно из главных применений сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать однородные магнитные поля напряженностью свыше 107 А/м в достаточно большой области пространства, в то время как пределом обычных электромагнитов с железными сердечниками являются напряженности порядка 106 А/м. К тому же в сверхпроводящих магнитных системах циркулирует незатухающий ток, поэтому не нужен внешний источник питания. Сильные магнитные поля необходимы при проведении научных исследований. Сверхпроводящие соленоиды позволяют в значительной мере уменьшить габариты и потребление энергии в синхрофазотронах и других ускорителях элементарных частиц. Перспективно использование сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в реакторах управляемого термоядерного синтеза, в магнитогидро–динамических (МГД) преобразователях тепловой энергии в электрическую, в качестве индуктивных накопителей энергии для покрытия пиковых мощностей в масштабах крупных энергосистем. Широкое развитие получают разработки электрических машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Применение сверхпроводников позволяет исключить из машин сердечники из электротехнической стали, благодаря чему уменьшаются в 5–7 раз их масса и габаритные размеры при сохранении мощности. Экономически обосновано создание сверхпроводящих трансформаторов, рассчитанных на высокий уровень мощности (десятки-сотни мегаватт). Большое внимание в разных странах уделяется разработке сверхпроводящих линий электропередач на постоянном и переменном токах. Разработаны опытные образцы импульсных сверхпроводящих катушек для питания плазменных пушек и систем накачки твердотельных лазеров. В радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы, обладающие, благодаря ничтожно малому электрическому сопротивлению, очень высокой добротностью. Принцип механического выталкивания сверхпроводников из магнитного поля положен в основу создания сверхскоростного железнодорожного транспорта на «магнитной подушке».

Широкие перспективы применения сверхпроводников открывает измерительная техника. Дополняя возможности имеющихся измерительных средств, сверхпроводящие элементы позволяют регистрировать очень тонкие физические эффекты, измерять с высокой точностью и обрабатывать большое количество информации.

Уже сейчас на основе сверхпроводимости созданы высокочувствительные болометры для регистрации ИК-излучения, магнитометры для измерения слабых магнитных потоков, индикаторы сверхмалых напряжений и токов. Количество этих приборов непрерывно растет.

Сверхпроводящие материалы и их применение

Сверхпроводящие материалы могут проводить электричество или переносить электроны от одного атома к другому без сопротивления. Это означает, что тепло, звук или любая другая форма энергии не будут высвобождаться из материала.

Температура при которой проявляется явление сверхпроводимости для большинства материалов должна быть очень низкой. Материал в этом случае будет находиться в крайне низком энергетическом состоянии (очень холодном).

Ведутся исследования по разработке соединений, которые становятся сверхпроводящими при более высоких температурах. В настоящее время для охлаждения сверхпроводников необходимо использовать избыточное количество энергии, что делает их не всегда эффективными и экономичными.
Синтезировано несколько сверхпроводящих материалов. Решающий прогресс был достигнут в 1987 году с открытием высокотемпературной сверхпроводимости в соединениях на основе меди (купратах), которые показали новые уникальные свойства.
Хотя большинство сверхпроводящих материалов — это металлы, есть и необычные исключения. Некоторые требуют добавления дополнительных элементов для «допинга» материала и работают другими различными способами. Эти способы бросают вызов существующим теориям.

Типы материалов проявляющих явление сверхпроводимости

Сверхпроводящие материалы классифицируются на два вида: типа I и типа II.

I тип

Сверхпроводящие материалы типа I состоят из основных проводящих элементов, которые используются во всем, от электропроводки до компьютерных микросхем. В настоящее время явление сверхпроводимости у этих материалов проявляется при температуре от 0,000325 °K и 7,8 °K при стандартном давлении.

Некоторые сверхпроводящие материалы типа I требуют невероятного давления, чтобы достичь сверхпроводящего состояния. Одним из таких материалов является сера, которая требует давления 9,3 миллиона атмосфер (9,4 х 10 11 Н / м 2 ) и температуры 17 °К для достижения сверхпроводимости.
Некоторые другие примеры типов сверхпроводников содержат ртуть — 4.15 °, свинец — 7.2 °к, алюминий — 1.175 °K и цинк — 0.85 °К.
Примерно половина элементов в периодической таблице являются сверхпроводящими. Сверхпроводники типа 1, в основном, состоят из металлов и металлоидов, которые имеют сопротивление току при комнатной температуре. Они требуют невероятного холода, чтобы замедлить молекулярные вибрации в достаточной степени, чтобы облегчить свободный поток электронов.
Сверхпроводимость металлов требует холодных температур, чтобы проявилось явление. Они обладают очень резким переходом в сверхпроводящее состояние и «идеальное» диамагнетизм — возможность полностью отразить магнитного поля.

Удивительно: медь, серебро и золото, три лучших металлических проводников не попали в число сверхпроводящих материалов, как и драгоценные металлы. Почему бы это?

Свинец (PB) 7,196 К
Лантан (La) 4,88 К
Тантал (Та) 4,47 К
Ртуть (HG) 4,15 К
Олово (SN) 3,72 К
Индий (В) 3,41 К

Тип 2

Сверхпроводящие материалы типа II состоят из металлических соединений. Они достигают сверхпроводящего состояния при гораздо более высоких температурах по сравнению с материалами I типа. Причина такого резкого повышения температуры до конца не выяснена.

Самая высокая температура сверхпроводимости при нормальном давлении на сегодняшний день составляет 135 °K или -138 °C соединением (HgBa2Ca2Cu3O8), которое попадает в группу, известных как купратные перовскиты. Эта группа материалов обычно имеет соотношение 2 атома меди к 3 атомам кислорода и считается керамической.

Сверхпроводники типа II также могут быть пронизаны магнитным полем, тогда как сверхпроводники типа I — нет.
За исключением элементов ванадия, технеция и ниобия, категория сверхпроводников типа 2 состоит из металлических соединений и сплавов.

Недавно открытые сверхпроводящие перовскиты (металлоксидная керамика), относятся к этой группе типа 2. Они достигают более высоких температур, чем материалы типа 1, с помощью механизма, который до сих пор полностью не изучен. Общепринятая точка зрения гласит, что он относится к слоям внутри кристаллической структуры.

Сверхпроводящие купраты (оксиды меди) достигли поразительно высоких Tc, если учесть, что к 1985 году известные Tc достигли только 23 Кельвина. На сегодняшний день максимальная температура, достигаемая при атмосферном давлении для материала, который образуется стехиометрически (путем прямого смешивания), составляет 147 Кельвинов. И самый высокая температура в целом составляет 216 градусов Цельсия для материала, который не образуется стехиометрически. Почти наверняка среди высокотемпературных сверхпроводников еще ждут открытия другие, более синергетические соединения.

Сверхпроводники типа 2 — также известные как «жесткие» сверхпроводники отличаются от сверхпроводников типа 1 тем, что их переход из нормального состояния в сверхпроводящее происходит постепенно в области «смешанного состояния». Поскольку Тип 2 допускает некоторое проникновение внешнего магнитного поля в его поверхность, это создает некоторые довольно новые мезоскопические явления, такие как сверхпроводящие «полосы» и «вихри решетки потока».

(Sn — олово, Sb — сурьма, Te — теллур, Ba — барий, V -ванадий, Mg — магний, O — кислород)

Sn₁₂SbTe₁₁Ba₂V₂Mg₂₄O₅₀ 216 K
Sn 11 SbTe10Ba2V2Mg22O46 209 K
Sn11SbTe10Ba2VMg23O46 202 K
Sn10SbTe9Ba2MnCu21O42 187 K
Sn9SbTe8Ba2MnCu19O38 178 K
Sn8SbTe7Ba2MnCu17O34 167 K

Ученые утверждают про новое открытие, что супергидрид лантана (LaH₁₀) имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние на уровне 250 кельвинов, но при огромном давлении.

Применение сверхпроводимости

По состоянию на сейчас понятно, что сверхпроводящие материалы становятся таковыми при очень низкой температуре или крайне высоком давлении. Это ограничивает их широкое применение. Низкие температуры достигаются с помощью устройства криостата. Эти устройства дороги, велики и, как правило, требуют высокого технического обслуживания. Они также имеют ограниченный срок службы, поскольку используют энергию, и поэтому не идеальны для длительных космических миссий.

Сверхпроводник не пропускает электромагнитное излучение и может использоваться в микроволновых устройствах и в устройствах для защиты от излучения при ядерном взрыве.
Сверхпроводимость необходима в приборах медицинской диагностики, например, в устройствах магнитно-резонансной томографии (МРТ). Здесь магнитные катушки должны находиться на достаточно низком уровне температуры для того, чтобы томограф давал сильное однородное магнитное поле. Криостаты используются для охлаждения этих систем, что делает оборудование намного крупнее и дороже. Сверхпроводники позволили бы использовать различное медицинское оборудование для домашней диагностики.
В проектах по термоядерной энергии где требуются сильные магнитные поля.
В высокопроизводительных квантовых компьютерах.
В устройствах передачи и аккумулирования энергии.

Явление сверхпроводимости при комнатной температуре для высокоэффективных линий электропередач, поездов на магнитной подвеске и других применений может оказывать глубокое влияние на общество.

Хотя было много обещаний в непосредственном охлаждении электронов, этого еще не произошло. Без фундаментального понимания того, как высокотемпературные сверхпроводники работают прогресс идет медленно.

Адский холод, левитация и плазма: прошлое, настоящее и будущее сверхпроводимости

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 (LaH10). 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.

Экспертное мнение: Высокотемпературная сверхпроводимость

В преддверии большого репортажа о лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы», который мы готовим по результатам общего голосования, мы продолжаем рассказывать о сверхпроводимости.
Неделю назад мы опубликовали статью Алексея Башарина о неизлучающем «анаполе», после которой началась самая настоящая научная дискуссия с участием автора статьи. Статья собрала более ста комментариев, поступило много предложений относительно формата изложенного материала в публикации. Мы учли все пожелания и попросили ведущего ученого К.Б. Ефетова написать для нас экспертное мнение в научно-популярном формате по высокотемпературной сверхпроводимости, за открытие высокотемпературной сверхпроводимости купратов была вручена нобелевская премия около 30 лет назад.

Константин Борисович Ефетов является Научным руководителем проекта «Коллективные явления в квантовой материи» НИТУ «МИСиС» в рамках гранта для поддержки научных исследований программы ТОП 5-100. К.Б. Ефетов – выдающийся рецензент «Американского Физического Общества”, Директор Института теоретической физики III Рурского университета Бохума в Германии, почетный член Американского физического общества, ведущий исследователь трех проектов, финансируемых Немецким министерством научных исследований, автор более 170 публикаций, обладатель французской премии Блеза Паскаля учреждённой французским правительством и Исследовательской Премии Landau-Weizman, учреждённой Институтом Вейцмана в Израиле. Константин Ефетов — “выдающийся рецензент американского Физического Общества”. Эта Премия даётся за заметный вклад в рецензировании статей в таких журналах как Physical Review Letters, Physical Review, Reviews of Modern Physics и других.

Позже сверхпроводимость была обнаружена во многих металлах, но микроскопическая теория этого загадочного явления была построена только в 1957 году американскими физиками Бардином, Купером и Шриффером (Bardeen, Cooper, Schrieffer), которые получили за эту работу Нобелевскую премию в 1972 году.

Стоит упомянуть, что правильная феноменологическая теория сверхпроводимости была предложена советскими физиками Гинзбургом и Ландау уже в 1950 году. Интересные явления в сверхпроводниках были предсказаны с помощью теории Гинзбурга-Ландау Алексеем Абрикосовым, все трое также являются лауреатами Нобелевской премии. Важно отметить, что в течение многих лет Абрикосов был заведующим Кафедрой Теоретической Физики в МИСиС. Сейчас эта кафедра называется “Кафедрой Теоретической Физики и Квантовых Технологий”, где я и работаю в рамках проекта «Toп5-100».

То, что для объяснения сверхпроводимости потребовалось 46 лет, не случайно. Это явление было открыто еще до создания квантовой механики и никак не могло быть объяснено на основе классической механики Ньютона и классической электродинамики Максвелла. В основе теории сверхпроводимости лежит понятие конденсации Бозе-Эйнштейна. Согласно этой концепции, частицы с целочисленным квантовым спином (бозоны) должны образовывать состояние, в котором все частицы когерентны (конденсат) или, иными словами, чувствуют друг друга по всему объему системы. Движение этого конденсата как целого и приводит к тому, что он не тормозится различными примесями или неоднородностями в металле, приводя к нулевому сопротивлению.

Казалось бы, вот оно и объяснение сверхпроводимости? Но это не так.

Электрический ток в металлах возникает вследствие движения электронов, а это — элементарные частицы со спином одна вторая. Но частицы с полуцелым спином (фермионы) не образуют конденсат, а других движущихся частиц в металлах нет. Каким же образом можно получить конденсат? Оказывается, два электрона с противоположными спинами могут образовывать пары, которые обладают нулевым полным спином, и эти пары уже являются бозонами и могут образовать Бозе-конденсат. Такие пары электронов называются куперовскими парами (их-то и придумал один из создателей теории сверхпроводимости Купер), и их конденсация и приводит к явлению сверхпроводимости. Но это еще не все. Нетрудно представить, что для спаривания электронов необходимо их притяжение друг к другу. Но хорошо известно из классической электродинамики, что две одинаково заряженные частицы отталкиваются, а не притягиваются.

Нашелся выход и из этого противоречия. Оказывается, притяжение между электронами может происходить путем обмена фононами — квантовыми колебаниями решетки атомов металла, и этот факт уже позволил закончить построение теории сверхпроводимости. Теперь легко понять, почему прошло 46 лет между открытием явления сверхпроводимости и его объяснением. Каждый шаг в построении теории был революционным, и этих шагов было много. И это все было сделано для объяснения явления, которое можно наблюдать в небольшой лаборатории, для этого не требуются мощные ускорители или полеты в космос.

А теперь представим, что можно было бы сделать проволоку из сверхпроводящего материала. В этом случае энергия не терялась бы при передаче на любые расстояния, и почему бы такое не попробовать?

К сожалению, в этом деле есть одно «но»: как мы уже упомянули, сверхпроводимость возникает при очень низких температурах, такую сверхпроводящую проволоку нужно было бы охлаждать жидким гелием. В то же время, само по себе охлаждение гелия требует очень больших энергетических (и, соответственно, денежных) затрат, и использование сверхпроводящих проволок оказалось бы значительно дороже стоимости энергетических потерь. Нетрудно понять, что значительные усилия в дальнейшем исследовании свойств сверхпроводников были потрачены на изучение возможности получения сверхпроводимости при более высоких температурах. В идеале, конечно, хотелось бы получить сверхпроводимость при «комнатной» температуре в 300 К (27 С). Но и сверхпроводники с температурой перехода выше точки сжижения азота (77 К) были бы очень кстати, так как получение жидкого азота гораздо дешевле, чем производства жидкого гелия.

Однако, многочисленные попытки получить сверхпроводники со столь высокой температурой не приводили к успеху вплоть до середины восьмидесятых годов. Более того, теоретические оценки давали для моделей, основанных на электрон-фононном механизме спаривания электронов, температуры перехода, не превышающие 25 К, что было недостаточно для промышленных применений.

Как гром среди ясного неба, пришло в 1986 году известие, что швейцарские ученые Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость при гораздо более высоких температурах, за что уже в 1987 получили Нобелевскую премию. Материалы, которые они изучали, представляют собой окись меди и имеют слоистую структуру. Обычно для них используется слово «купраты». При комнатных температурах купраты являются плохими металлами с низкой проводимостью. По-видимому, это и является причиной того, что их не рассматривали в качестве серьезных кандидатов для создания высокотемпературных сверхпроводников.

На сегодняшний день температуры сверхпроводящих переходов в купратах достигают 140 К (-137 С). Это все еще значительно ниже комнатных температур, но уже значительно выше температуры кипения азота. Последнее обстоятельство уже привело к практическим применениям высокотемпературных сверхпроводников на практике. Уже имеются фирмы, которые производят проволоки, покрытые обычными металлами с «начинкой из купратов».

Тем не менее, вопрос о создании сверхпроводников при комнатных температурах остался до сих пор нерешенным. Простой перебор различных химических соединений не выглядит многообещающим способом получения сверхпроводимости при комнатных температурах, так как число возможных соединений огромно. Гораздо более разумно было бы сначала понять, почему температура перехода в купратах настолько превосходит соответствующие температуры в «обычных» металлах.

Является ли обмен фононами главной причиной спаривания электронов в купратах, как это происходит в обычных металлах?

Чтобы ответить на этот вопрос, огромное число как теоретиков, так и экспериментаторов взялись за изучение механизма образования сверхпроводимости в купратах. На сегодняшний день, большинство ученых считает, что фононный механизм спаривания электронов маловероятен. Число предложений выдвинутых к настоящему времени велико и все их трудно перечислить. Естественно, все они обещают высокую температуру сверхпроводящего перехода. Но что нужно делать для того, чтобы выбрать один единственный механизм, который бы однозначно объяснил происхождение сверхпроводимости, и действие которого можно было бы улучшить уже нацелено проверяя и изменяя химические соединения?

Конечно, точное вычисление температуры перехода для каждого из купратных соединений и для всех предложенных механизмов, и дальнейшее сравнение с экспериментальными данными могло бы помочь выбрать «правильный» механизм. К сожалению, этот метод использования «грубой физической силы» практически невозможен, так как на это не хватит никаких мощностей существующих на Земле компьютеров.

Как всегда, лучше подумать, этим занимаются теоретики во всем мире и, в частности, группа в НИТУ «МИСиС», которой я руковожу. Основная идея состоит в том, что разумная модель для сверхпроводимости должна объяснять не только сверхпроводимость, но и ряд других явлений в купратах. Таких явлений в купратах очень много. Например, несколько лет назад было обнаружено существование модуляции электронного заряда. Значит, правильная теория должна объяснять и это явление, что значительно сужает число кандидатов на роль механизма спаривания электронов. Работая над проблемой высокотемпературной сверхпроводимости, мы стартуем с модели электронов, взаимодействующих посредством обмена флуктуациями намагниченности. Такое предположение можно обосновывать тем, что купраты при допировании атомами кислорода претерпевают переход антиферромагнетик-нормальный металл. Сверхпроводимость может появляться только в металлическом состоянии, но близость к антиферромагнетику делает предположение об обмене антиферромагнитными флуктуациями вполне вероятным.

Разнообразие состояний купратов — Предсказываемые состояние купратов в зависимости от Т-температуры и а-концетрации дополнительных носителей (допирование). AF- антиферромагнетик, SC- сверхпроводник, PG – псевдощелевое состояние, по многим косвенным признакам похожее на сверхпроводящее, однако с ненулевым сопротивлением. Из работы K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)

Нам уже удалось объяснить с помощью этого предположения несколько важных явлений в купратах, но приходится все время следить за новыми экспериментальными данными, которые позволяют корректировать или уточнять получаемые теоретические результаты. Нам кажется, что мы на верном пути, а наша работа поможет разобраться с явлениями, наблюдаемыми в купратах. После этого уже можно будет думать и о том, в каком направлении работать, чтобы увеличить температуру перехода. Благодаря тесному сотрудничеству с исследователями из разных стран эта задача не выглядит неразрешимой.

Высокотемпературные сверхпроводники

Сегодня увидел этот комментарий и обсуждение под ним. Учитывая, что сегодня же я был на производстве сверхпроводящих кабелей, хотел вставить пару замечаний, но read-only… В итоге решил написать небольшую статью про высокотемпературные сверхпроводники.

Для начала, на всякий случай, хочется отметить, что сам термин «высокотемпературный сверхпроводник» означает сверхпроводники с критической температурой выше 77 К (-196 °C) — температуры кипения дешёвого жидкого азота. Не редко к ним относят и сверхпроводники с критической температурой около 35 К, т.к. такую температуру имел первый сверхпроводящий купрат La_2-xBa_xCuO₄ (вещество переменного состава, отсюда и x). Т.е. «высокие» температуры тут пока ещё очень низкие.

Основное распространение получило два высокотемпературных сверхпроводника — YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO, Y123) и Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x (BSCCO, Bi-2223). Также применяются схожие с YBCO материалы, в которых иттрий заменён иным редкоземельным элементом, например гадолинием, их общее обозначение — ReBCO.
Выпускаемые YBCO, да и другие ReBCO, имеют критическую температуру на уровне 90-95 К. Выпускаемые BSCCO достигают критической температуры в 108 К.

Кроме высокой критической температуры, ReBCO и BSCCO отличаются большими значениями критического магнитного поля (в жидком гелии — более 100 Тл) и критического тока. Впрочем, с последним всё не так просто…

В сверхпроводнике электроны движутся не независимо, а парами (Куперовскими парами). Если мы хотим, чтобы ток перешёл из одного сверхпроводника в другой, то зазор между ними должен быть меньше характерного размера этой пары. Для металлов и сплавов этот размер составляет десятки, а то и сотни нанометров. А вот в YBCO и BSCCO он составляет лишь пару нанометров и доли нанометра, в зависимости от направления движения. Даже зазоры между отельными зёрнами поликристалла оказываются уже вполне ощутимым препятствием, не говоря уж о зазорах между отдельными кусками сверхпроводника. В результате сверхпроводящая керамика, если не предпринимать специальных ухищрений, способна пропускать через себя лишь относительно небольшой ток.

Проще всего проблему оказалось решить в BSCCO: его зёрна естественным образом имеют ровные края, а самое простое механическое сжатие позволяет эти зёрна упорядочить для получения высокого значения критического тока. Это позволило достаточно быстро и просто создать первое поколение высокотемпературных сверхпроводящих кабелей, а точнее — высокотемпературных сверхпроводящих лент. Они представляют собой серебряную матрицу, в которой есть множество тонких трубочек, заполненных BSCCO. Эту матрицу расплющивают, при этом зёрна сверхпроводника приобретают нужный порядок. Получаем тонкую гибкую ленту, содержащую множество отдельных плоских сверхпроводящих жил.

Увы, BSCCO материал далеко не идеальный: у него критический ток очень быстро падает с ростом внешнего магнитного поля. Критическое магнитное поле у него достаточно велико, но задолго до достижения этого предела, он теряет способность пропускать сколько-нибудь большие токи. Это очень сильно ограничивало применение высокотемпературных сверхпроводящих лент, заменить старые добрые сплавы ниобий-титан и ниобий-олово, работающие в жидком гелии, они не могли.

Совсем другое дело — ReBCO. Но создать в нём правильную ориентацию зёрен весьма тяжело. Лишь относительно недавно научились делать сверхпроводящие ленты на основе этого материала. Такие ленты, называемые вторым поколением, получают напылением сверхпроводящего материала на подложку, имеющую специальную текстуру, задающую направление роста кристаллов. Текстура, как не сложно догадаться, имеет нанометровые размеры, так что это настоящие нанотехнологии. В московской компании «СуперОкс», в которой я собственно и был, для получения такой структуры на металлическую подложку напыляют пять промежуточных слоёв, один из которых одновременно с напылением распыляется потоком быстрых ионов, падающих под определённым углом. В результате кристаллы этого слоя растут только в одном направлении, в котором ионам сложнее всего их распылять. Другие производители, а их в мире четыре, могут использовать иные технологии. Кстати, отечественные ленты используют гадолиний вместо иттрия, он оказался технологичнее.

Сверхпроводящие ленты второго поколения шириной 12 мм и толщиной 0,1 мм в жидком азоте при отсутствии внешнего магнитного поля пропускают ток до 500 А. Во внешнем магнитном поле 1 Тл критический ток всё ещё доходит до 100 А, а при 5 Тл — до 5 А. Если охладить ленту до температуры жидкого водорода (ниобиевые сплавы при такой температуре ещё даже не переходят в сверхпроводящее состояние), то та же лента сможет пропустить 500 А в поле 8 Тл, а «какие-нибудь» 200-300 А — в поле на уровне пары десятков тесла (лягушка летает). Про жидкий гелий и говорить не приходится: есть проекты магнитов на этих лентах с полем на уровне 100 Тл! Правда тут уже в полный рост возникает проблема механической прочности: магнитное поле всегда стремится разорвать электромагнит, но когда это поле достигает десятков тесла, его стремления легко реализуются…

Впрочем, все эти прекрасные технологии не решают проблемы соединения двух кусков сверхпроводника: хоть кристаллы и ориентированны в одном направлении, о полировке внешней поверхности до субнанометрового размера шероховатостей речи не идёт. У корейцев есть технология спекания отдельных лент друг с другом, но она ещё, мягко говоря, далека от совершенства. Обычно ленты соединяют друг с другом обычной пайкой обычным оловянно-свинцовым припоем или иным классическим способом. Разумеется, при этом на контакте появляется конечное сопротивление, так что создать из таких лент сверхпроводящий магнит, не требующий питания на протяжении многих лет, да и просто ЛЭП с в точности нулевыми потерями не получается. Но сопротивление контакта составляет малые доли микроома, так что даже при 500 А токе там выделяются лишь доли милливатта.

Разумеется, в научно-популярной статье читатель ищет по-больше зрелищности… Вот несколько видео моих экспериментов с высокотемпературной сверхпроводящей лентой второго поколения:

Последнее видео записал под впечатлением от комментария на YouTube, в котором автор доказывал, что сверхпроводимости не существует, а левитация магнита — совершенно самостоятельный эффект, предлагал всем желающим убедиться в его правоте, измерив непосредственно сопротивление. Как видим, сверхпроводимость всё-таки существует.

Читайте также: