Первооткрыватель сверхпроводимости Камерлин-Оннес. (1911), www.superconductors.org
Авторы наиболее популярной модели сверхпроводимости (БКШ) – Джон Бардин, Леон Куппер, Джон Шриффер (1957), www.superconductors.org
Родоначальники ВТСП. Лауреаты Нобелевской премии Алекс Мюллер и Георг Беднорц, www.superconductors.org
Открытие ртуть-содержащих ВТСП-фаз на Химфаке МГУ – Е.В.Антипов и С.Н.Путилин, www.icr.chem.msu.ru
История открытия
(Третьяков Ю.Д., Гудилин E.A., Химические принципы получения металлоксидных сверхпроводников, Успехи Химии, 2000, т.69, н.1, с.3-40. )
История сверхпроводимости характеризуется цепочкой открытий все более и более сложных структур, своеобразной "химической эволюцией" от простого к сложному. Она ведет начало с 1911 г., когда голландский физик Камерлинг-Оннес, впервые получивший жидкий гелий и тем самым открывший путь к систематическим исследованиям свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю, обнаружил, что при 4.2 К обычная металлическая ртуть (простое вещество, представляющее собой"плохой металл") полностью теряет электрическое сопротивление. В 1933г. Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники (СП) одновременно являются и идеальными диамагнетиками, то есть полностью выталкивают линии магнитного поля из объёма СП.
Всё это в принципе открыло широчайшие возможности для практического применения сверхпроводимости. Однако на пути к реализации этих идей длительное время существовала непреодолимая преграда - крайне низкая температура перехода в СП состояние, называемая критической температурой (Т с). За 75 лет, прошедших со времени открытия Камерлинг-Оннеса, эту температуру удалось поднять лишь до 23,2 К на интерметаллиде Nb 3 Ge, причем общепризнанные теории сверхпроводимости (БКШ) порождали неверие в принципиальную возможность преодоления этого температурного барьера.
В 1986г. Беднорц и Мюллер обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La 2-x Ba x CuO 4) переходить в СП состояние при 30К. Сложные купраты аналогичного состава были синтезированы в 1978г. Лазаревым, Кахан и Шаплыгиным, а также французскими исследователями двумя годами позже. К сожалению, электропроводность этих образцов была измерена лишь до температуры кипения жидкого азота (77К), что не позволило обнаружить эффект сверхпроводимости.
Важнейшей чертой открытия ВТСП можно назвать то, что сверхпроводимость была обнаружена не у традиционных интерметаллидов, органических или полимерных структур, а у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства. Это разрушило психологические барьеры и позволило в течении короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных СП почти одновременно в США, Японии, Китае и России:
Февраль 1987 г. – Чу и др. синтезируют, используя идею"химического сжатия" для модифицирования структуры, СП керамику из оксидов бария, иттрия и меди YBa 2 Cu 3 O 7-x с критической температурой 93 К, то есть выше точки кипения жидкого азота.
В январе 1988г. Маеда и др. синтезируют серию соединений состава Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4 , среди которых фаза с n=3 имеет Т с =108К.
Месяц спустя Шенг и Херман получили сверхпроводник Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 c T с = 125K.
В 1993г. Антипов, Путилин и др. открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+ d (n=1-6). В настоящее время фаза HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg -1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры (135К), причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164К, что лишь на 19К уступает минимальной температуре, зарегестрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, СП"химически эволюционировали", пройдя путь от металлической ртути (4.2 К) к ртуть-содержащим ВТСП (164 К).
Всего к настоящему времени известно около 50 оригинальных слоистых ВТСП-купратов. Время от времени в печати появляются сенсационные сообщения о создании новых СП с Т с выше комнатной температуры. И хотя безмедные СП известны довольно давно, на них до сих пор не удавалось достичь сколько-нибудь высокой температуры перехода в СП состояние (рекордные значения Т с для безмедных СП достигнуты у Ba 1-x K x BiO 3 и у фазы внедрения на основе фуллерена (Сs 3 C 60). Отдельно следует упомянуть также направление, связанное с попытками синтеза"экологически безопасных" ВТСП, не содержащих тяжелых металов (Hg, Pb, Ba), например получаемых под высоким давлением оксикупратных фаз кальция.
Cтраница 1
Открытие сверхпроводимости при повышенных давлениях в (TMTSF) 2PF6 и при нормальном давлении (TMTSF) 2C1O4 привело к заметному пересмотру бытовавших ранее представлений относительно предпосылок, необходимых для возникновения сверхпроводящего состояния. При изучении кристаллических структур и межатомных расстояний в нескольких соединениях типа (TMTSF) 2Ar Вудл пришел к выводу, что выполнение условий (а) и (б) не является необходимым. Более того, в данном случае металлическая электропроводность возникает не благодаря перекрыванию волновых функций тг-электронов углерода, а из-за близости друг к другу атомов селена, причем такое перекрывание возникает не только внутри стопки, но и между соседними стопками. Другими словами, кристаллы рассматриваемых соединений построены из донорных и акцепторных слоев и образуют квазидвумерные структуры. По существу, все расстояния между атомами селена не превышают величины вандерваальсо-вых радиусов атомов. Измерения магнитосопротивления дали следующие результаты: двумерное движение электронов, которое происходит в плоскостях, проведенных через стопки TMTSF перпендикулярно плоскости рисунка 5 6.1, имеет когерентный характер, а движение между этими плоскостями - диффузионное. Как указал Вудл , при рассмотрении имеющихся результатов по данным соединениям возникает по крайней мере три интересных теоретических вопроса: (1) Что является причиной нелинейной полевой зависимости электропроводности.
Открытие сверхпроводимости является наиболее ярким событием в изучении проводимости органических веществ. Она впервые наблюдалась Бечга-ардом, Якобсеном, Мортенсеном, Петерсеном и Тсорапом и Жеро-мом, Мазо, Рибо и Бечгаардом в 1980 г. в семействе изоструктурных соединений с общей формулой (TMTSF) 2Ar, которые часто называют солями Бечгаарда. Только соль СЮ4 - проявляет сверхпроводимость при атмосферном давлении и имеет критическую температуру сверхпроводящего перехода Тс 1 К.
Со времен открытия сверхпроводимости обсуждаются возможности технического использования этого поразительного явления.
Уже вскоре после открытия сверхпроводимости у ртути Камерлинг-Он - несу и его сотрудникам удалось показать, что и другие металлы, например свинец и олово, могут переходить в сверхпроводящее состояние. Позднее были открыты сверхпроводящие свойства индия, галлия, таллия, а в 30 - х годах с разработкой новых методов глубокого охлаждения число сверхпроводников пополнилось алюминием, цинком и другими элементами.
Очень скоро после открытия сверхпроводимости было обнаружено, что ее можно разрушить не только нагреванием образца, но и помещением его в магнитное поле.
Следует подчеркнуть, что открытие сверхпроводимости и особых свойств квантовых жидкостей вовсе не ставит под сомнение то обстоятельство, что реальные процессы всегда в той или иной степени необратимы.
Итак, потребовалось почти полвека с момента открытия сверхпроводимости, прежде чем был достигнут качественный прогресс в понимании природы этого удивительного явления и создана его последовательная теория.
В конце 1986 г. было опубликовано сообщение К. Беднореца из Швейцарии об открытии сверхпроводимости керамики лантан - барий - медь кислород при температуре, превышающей 30 К.
Важным характерным свойством сверхпроводника является полное отсутствие сопротивления при температурах ниже температуры перехода Qc. Действительно, так и считалось в течение довольно долгого периода времени после открытия сверхпроводимости. Но сверхпроводник при температурах ниже 6С - это не просто идеальный проводник: он также идеальный диамагнетик, или, другими словами, даже в присутствии внешнего магнитного поля внутри его плотность магнитного потока всегда равна нулю. Оно означает, что при охлаждении сверхпроводника, помещенного в магнитное поле, силовые линии индукции выталкиваются из материала, как только пройдена температура сверхпроводящего перехода.
Первое свойство было открыто Камерлинг-Оннесом через три года после того, как он смог сжижить гелий, второе открыл Капица спустя 30 лет после открытия сверхпроводимости.
Высокие температуры сверхпроводящего перехода могут быть у таких химических соединений, компоненты которых имеют низкие Тк или вообще не являются сверхпроводниками. Например, у азота и углерода сверхпроводимость отсутствует, у чистых вольфрама, циркония и молибдена Тк 1 К, а у WC Тк - 10 К, у ZrN Тк 10 7 К у МоС Тк - 14 3 К. Открытие сверхпроводимости в полимере (SN) означает начало нового этапа изучения сверхпроводимости. Наиболее высокими сверхпроводящими параметрами обладают сплавы и соединения на основе переходных металлов.
Последние годы были временем активной работы в рассмотренной нами области, и еще большая активность ожидается в будущем. Как из рога изобилия, созданного высоким искусством химиков-органиков, появляются соединения с новыми электрическими свойствами. Открытие сверхпроводимости в более нем одном типе ИРС значительно расширило перспективы определения механизма сверхпроводимости и, следовательно, синтеза соединений с более высокой температурой сверхпроводящего перехода. Синтез соединений, которые ведут себя как квазиодномерные и квазидвумерные системы, открыл обширное поле деятельности для теоретиков, которые теперь могут найти точное решение проблемы переноса. Большие масштабы приняло использование машинного моделирования, которое становится ведущим направлением, например, при изучении аморфных твердых тел, где движение носителей имеет прыжковый характер. Продолжающееся развитие лазерной техники, позволяющей получать короткие импульсы излучения с точно определенной длиной волны, сделало возможным возбуждение конкретных внутренних мод и изучение их скоростей релаксации; измеряются однородные ширины линий и разрабатываются механизмы такого уширения.
На первый взгляд кажется, что свидетельство К. П. Яковлева резко противоречит одному неопровержимому историческому факту: в последней коротенькой статье П. Н. Лебедева Успехи физики в 1911 году нет ни слова о планетарном атоме. Но суть в том, что эта статья, написанная для широкой публики и напечатанная в новогоднем номере Русских ведомостей, была посвящена только бесспорным и понятным успехам 11-го года. Так, в ней не упоминалось открытие сверхпроводимости, хотя целый абзац был отдан работам криогенной лаборатории Каммерлинг-Оннеса. Планетарный атом к категории бесспорных и понятных истин никак не принадлежал.
Связанные с этим грандиозным открытием перспективы поражают воображение. Создание материалов с нулевым электрическим сопротивлением при температурах, легко поддерживаемых с помощью недорогого хладагента, жидкого азота (77 К), открывает путь к решению ряда практических задач, таких как передача энергии без потерь на большие расстояния, создание миниатюрных компьютерных интегральных схем, на которые не распространяются ограничения, обусловленные выделением тепла, и появление на железных дорогах поездов, перемещающихся в поле сверхпроводящих магнитов, т.е. практически без трения. Но наиболее примечательно то, что за первые 75 лет после открытия сверхпроводимости Тс удалось поднять лишь до 23 К. Затем всего лишь за несколько месяцев была достигнута Тс в 100 К. Наверняка будут открыты и другие материалы, обладающие сверхпроводимостью при комнатных температурах. Такое открытие оказало бы сильнейшее воздействие на нашу культуру, сравнимое, вероятно, лишь с результатами появления транзистора.
Страницы: 1
Сопротивление проводника зависит от температуры. При нагревании металлов, сопротивление увеличивается, при охлаждении сопротивление уменьшается. При стремлении температуры проводника к нулю, может появиться явление, которое называется сверхпроводимость.
История открытия
Открытие сверхпроводимости принадлежит голландскому физику Х.Камерлингу-Оннесу. Он охлаждал ртуть в жидком гелии. Сначала сопротивление плавно уменьшалось, а потом, по достижении какой-то определенной температуры, сопротивление резко упало до нуля. Это явление было названо сверхпроводимостью.
Однако, объяснить суть явления сверхпроводимости смогли лишь в 1957 г. Оно дается на основе квантовой теории. С огромным упрощением, сверхпроводимость можно объяснить следующим образом: электроны объединяются в шеренги и двигаются, не сталкиваясь с кристаллической решеткой. Это движение совсем не похоже на обычное хаотичное тепловое движение.
В 1986 г. помимо низкотемпературной сверхпроводимости, была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Создали сложные соединения, которые переходят в состояние сверхпроводимости при температуре 100 К.
Свойства сверхпроводников
- Критической температурой называют температуру, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние. Явление сверхпроводимости возникает в металлах и их сплавах при очень низких температурах (примерно 25 К и ниже). Существуют справочные таблицы, в которых указываются критические температуры некоторых веществ.
- Так как сопротивление в сверхпроводимости отсутствует, следовательно, не происходит выделения тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется.
- Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле. А магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля.
- При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах. Если эту задачу удастся решить, то будет решена одна из важнейших технических проблем - передача энергии по проводам без потерь.
Перспективы
Высокотемпературная сверхпроводимость - это очень перспективная область исследований, которая впоследствии может привести к новой технической революции в электронике, электротехнике и радиотехнике. Согласно последним данным в этой области, максимальная критическая температура сверхпроводимости, которую удалось достигнуть, равняется 166К.
Мы постепенно приближаемся к открытию материалов, которые будут являться сверхпроводящими при комнатных температурах. Это станет прорывом в мире техники. Электроэнергию можно будет передавать на любые расстояния без потерь.
Хаотичное движение атомов проводника препятствует прохождению электрического тока. Сопротивление проводника уменьшается с уменьшением температуры. При дальнейшем снижении температуры проводника наблюдается полное уменьшение сопротивление и явление сверхпроводимости.
При некоторой температуре (близкой 0 oK) сопротивление проводника резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Однако, в сверхпроводниках наблюдается также другое явление — эффект Мейснера. Проводники в сверхпроводящем состоянии обнаруживают необычное свойство. Из объема сверхпроводника полностью вытесняется магнитное поле.
Вытеснение сверхпроводником магнитного поля.
Проводник в сверхпроводящем состоянии, в отличие от идеального проводника, ведет себя как диамагнетик. Внешнее магнитное поле вытесняется из объема сверхпроводника. Тогда если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависает в воздухе.
Возникновение этого эффекта связано с тем, что при внесении сверхпроводника в магнитное поле в нем возникают вихревые токи индукции, магнитное поле которых полностью компенсирует внешнее поле (как в любом диамагнетике). Но индуцированное магнитное поле само также создает вихревые токи, направление которых противоположно токам индукции по направлению и равно по величине. В результате в объеме сверхпроводника отсутствуют и магнитное поле и ток. Объем сверхпроводника экранируется тонким приповерхностным слоем - скин-слоем - на толщину которого (порядка 10-7-10-8 м) проникает магнитное поле и в котором происходит его компенсация.
а - нормальный проводник, обладающий отличным от нуля сопротивлением при любой температуре (1), внесен в магнитное поле. В соответствии с законом электромагнитной индукции возникают токи, которые сопротивляются проникновению магнитного поля в металл (2). Однако если сопротивление отлично от нуля, они быстро затухают. Магнитное поле пронизывает образец нормального металла и практически однородно (3);
б - из нормального состояния при температуре выше T c есть два пути: Первый: при понижении температуры образец переходит в сверхпроводящее состояние, затем можно наложить магнитное поле, которое выталкивается из образца. Второй: сначала наложить магнитное поле, которое проникнет в образец, а затем понизить температуру, тогда при переходе поле вытолкнется. Выключение магнитного поля дает ту же картинку;
в - если бы не было эффекта Мейснера, проводник без сопротивления вел бы себя по-другому. При переходе в состояние без сопротивления в магнитном поле он бы сохранял магнитное поле и удерживал бы его даже при снятии внешнего магнитного поля. Размагнитить такой магнит можно было бы, только повышая температуру. Такое поведение, однако, на опыте не наблюдается