Текущий прогресс и перспективы развития в области высокотемперат. Текущий прогресс и перспективы развития в области высокотемпературных сверхпроводников
 Скачать 269.23 Kb.
|
|
ТЕКУЩИЙ ПРОГРЕСС И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ В ОБЛАСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ Открытие явления высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) Мюлером и Беднорцем в 1986 году привело к активному всплеску различных исследований и разработок в этой области во всем мире. Это было связано прежде всего с потенциальной возможностью практического применения таких материалов. Ими было обнаружено, что при температуре около 30К в соединениях состава LaBaCuO наблюдалось резкое падение удельного сопротивления [1]. Г  одом позже, в 1987 году был открыт иттрий-барий-медный оксид (YBa2Cu3O7-δ), который был первым в мире сверхпроводником, критическая температура которого была выше температуры кипения жидкого азота, и составляла 92 К [2]. Сегодня, по всей видимости, это самый изученный ВТСП. Рисунок 1 – Кристаллическая структура ВТСП YBa2Cu3O7-δ На рисунке можно заметить, что атомы меди и кислорода располагаются в одной плоскости, образуя CuO2 слои. Между такими слоями находятся и другие атомы, в частности атомы бария и иттрия. Пространство между слоями, которое занимают атомы кислорода и меди, вместе с атомами бария образуют резервуар для заряда. А резервуары с атомами иттрия образуют слои проводимости. В результате такого чередования изолирующих и проводящих слоев носители заряда могут легко перемещаться в них и практически не способны перескакивать на соседние. Исходя из этого можно сказать, что носители заряда носят квазидвумерный характер [3]. У  ченые заметили, что при понижении содержания кислорода в YBa2Cu3O6+x (ниже x=1) также понижается количество свободных электронов. Вместе с этим происходит падение критической температуры. Так, при содержании кислорода x<0,4, сверхпроводник YBa2Cu3O6+x превращается в диэлектрик, в котором при низких температурах магнитные моменты атомов меди становились антипараллельными. В результате установления антиферромагнитного порядка кристалл начинал обладать очень низкой антиферромагнитной восприимчивостью и вел себя как очень слабый парамагнетик [4].Рисунок 2 – Левый график показывает переход в антиферромагнитное состояние. Правый график демонстрирует падение критической температуры. По всей видимости, атомы меди в сверхпроводящем состоянии сохраняют магнитный момент, за счет чего и возникает сверхпроводящее притяжение между электронами. Такое возможно благодаря способности атомов меди пребывать в магнитном или немагнитном состоянии, в зависимости от ее валентности. Данное предположение могло объяснить, почему во всех высокотемпературных сверхпроводниках присутствуют слои Cu-O [5]. Но позднее были открыты ферросодержащие сверхпроводники, в которых атомы меди отсутсвовали, а в некоторых, по типу FeSe, также отсутствовал кислород [6]. Вследствие чего предположение о роли атомов меди в ВТСП могло быть ошибочным. В 2001 году был открыт еще один сверхпроводник II рода – диборид магния (MgB2). Являясь интерметаллидом, он обладал рекордной температурой перехода в сверхпроводящее состояние при Tc = 39 К. Кристаллы MgB2 также обладали слоистой структурой, представляя собой чередующиеся слои бора и магния, благодаря чему они имели уникальные физические свойства, а именно: это был первый в мире интерметаллид-сверхпроводник, обладающий двумя сверхпроводящими щелями. В σ-зонах (квазидвумерные зоны бора) при переходе в сверхпроводящее состояние образуется зона запрещенных энергий для одиночных электронов со значением 10 мэВ при максимальных Tc. Точно также образуется щель в трехмерных π-зонах (зонах магния) со значением 1,4-3 мэВ. В результате мы имеем два сверхпроводящих конденсата: изотропный трехмерный и квазидвумерный дырочный [7]. Квазидвумерный характер спектра ВТСП, похоже, является основой для понимания природы этого явления. Сегодня же существует теория вихревого состояния ВТСП в магнитном поле. Согласно этой теории, благодаря квазидвумерности движения электронов из элементарных вихрей образуются вихри Абрикосова, находящиеся за куперовскими парами и электронами в проводящих слоях. При низкой температуре элементарные вихри способны выстраиваться в одну линию благодаря небольшому притяжению между друг другом, после чего они образуют вихревую решетку. Напротив, при повышении температуры в результате тепловой флуктуации вихревые линии начинают плавиться, и упорядоченная решетка Абрикосова начинает сменяться хаотически движущимися вихревыми линиями. При дальнейшем повышении температуры, но не выходящей за рамки сверхпроводящей фазы, вихревые линии могут распадаться на элементарные вихри [3]. Сделанные открытия сподвигли к поиску все новых и новых сверхпроводников, в результате чего были открыты такие сверхпроводники как кобальты, рутаниты, супергидриды лантала, а также пользующиеся сегодня большой популярностью железосодержащие суперпроводники по типу FeSe, упомянутые ранее. Однако, исследователи сразу столкнулись с большим количеством проблем, в числе которых была трудность изготовления из таких материалов полезных форм. Это было обусловлено тем, что такие материалы имели слабые связи, из-за чего обладали большой хрупкостью. Кроме этого, создаваемое ими магнитное поле было способно разрушать их собственную слоистую структуру, вследствие чего появлялся участок с большим сопротивлением, который выделял большое количество тепла и вызывал нагрев соседних участков. В результате этого сверхпроводник терял свои свойства. Поэтому для практического применения ВТСП важны следующие параметры: критическая температура (Tc), критическое значение тока (Jc), критическое магнитное поле (H2c). Критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние очень важна, так как провода, изготовленные из ВТСП, критическая температура которых выше температуры сжижения азота, можно погружать в заполненные им трубы. Благодаря чему передача энергии даже на большие расстояния происходит без потерь. Плюсом служит также то, что жидкий азот достаточно дешевый и безопасный. Критическое значение тока – это max значение тока, при котором ВТСП не теряет свою сверхпроводимость. Именно поэтому первые медные сверхпроводники мало интересовали технологов в силу их малого критического значения тока. Критическое значение поля представляет собой max значение магнитного поля, при котором не теряется сверхпроводимость. При повышении напряжения магнитного поля оно проникает в сверхпроводник, образуя вихри Абрикосова. Увеличивая степень напряженности, наблюдается рост вихрей, они растут до определенного значения H2c, после чего сверхпроводимость теряется. В 1986 году, в самом начале исследований, ВТСП имели значение H2c порядка 0,01T, что было весьма скромно. Но уже в 1996 году были изготовлены кабели, которые имели значение H2c = 6 T. Спектр применения ВТСП сильно увеличился, когда было освоено производство сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств [8]. Сегодня наиболее интересными являются высокотемпературные сверхпроводники типа SmFeAsO1-x Fx с критической температурой Tc порядка 57 К. Их преимуществом перед другими железосодержащими ВТСП служит их лучшая технологичность [9]. Несмотря на трудности в обработке, большое количество компаний предлагают кабели из ВТСП длиной до нескольких километров. В США существуют подземные линии электропередач, изготовленные из высокотемпературных сверхпроводников. С каждым днем сфера применения таких материалов увеличивается, и поэтому можно ожидать открытия новых сверхпроводников. Перспективы их изучения также невероятны. Например, на сегодняшний день во всем мире при передаче по обычным кабелям теряется около 30% электроэнергии. При использовании ВТСП эти потери можно было бы свести к нулю. При термоядерном синтезе высокотемпературная плазма, температура которой может превышать миллион К, удерживается в камере благодаря сверхпроводящим магнитам, не давая ей соприкасаться со стенками. Для того, чтобы эти магниты не потеряли свою сверхпроводимость, в качестве хладагента используется жидкий гелий. Использование ВТСП сделало бы возможным заменить гелий на более дешевый и безопасный жидкий азот. Поле, созданное сверхпроводящими магнитами, может использоваться для технологии магнитной левитации, при которой магнитное давление компенсирует ускорение свободного падения. Исходя из этого, магнитная левитация может использоваться как способ, который направляет и приводит в движение транспорт, в частности поезда, которые, по сравнению с колесными, намного тише и быстрее. Рекорд скорости поезда на обычных колесах принадлежит французскому скоростному поезду Train à Grande Vitesse (TGV), который в 1991 году смог развить скорость в 515,3 км/ч. В Японии в 1997 году экспериментальным поездом на магнитной подушке была достигнута невероятная скорость. Поезд, находясь на высоте 10 сантиметров над сверхпроводниковыми магнитами, развил 581 км/ч. Электромагнитные силы обеспечивают не только бесшумное перемещение, но и стабилизируют положение поезда в пространстве. В настоящее время единственным в мире неэксперементальным поездом на магнитной подушке является Шанхайский маглев [10]. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Bednorz J.G. and Muller K.A. Possible high Tc superconductivity in Ba-La-Cu-O system // Z.Phys. B-Condensed Matter, 1986, 64, 189-193. 2. Wu M.K., Ashburn J.R., Torng C.J., Hor P.H., Meng R.L., Gao L., Huang Z.J., Wang Y.Q., Chu C.W. Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 58. P. 908—910. 3. Плакида Н.М. Высокотемпературные сверхпроводники // Международная программа образования, M., 1996, 288 с. 4. Putilin S.N., Antipov E.V., Chamaissen O., Maresio M. Superconductivity at 94K in HgBa2Cu04+ // Nature, 1993, 362, 226-227. 5. Shilling A., Contoni M., Guo J.D., Ott H.R. Superconductivity above 130K in the Hg-Ba-CaCu-O system //Nature, 1993, 363, 56-57. 6. Alaska Subedi, Lijun Zhang, David J. Singh, Mao-Hua Du. Density functional study of FeS, FeSe and FeTe: Electronic structure, magnetism, phonons and superconductivity. 7. CRC Handbook of Chemistry and Physics. — 89th Edition. — Taylor and Francis Group, LLC, 2008-2009. 8. Lubkin G.B.Applications of High-Temperature Superconductors Approach the Marketplace // Physics Today,1995, 48 (3), 20-23. 9. Bennemann K.H., Ketterson J.B. Superconductivity: Novel Superconduvtors // Springer, 2008, 2, 805 pp. 10. Japanese magnetic train sets new world record // World news // The Guardian. |