Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП, Высокотемпературные сверхпроводники или Высокие-T c) - сверхпроводимость при относительно больших температурах. Исторически граничной величиной является температура в 30 К, однако ряд авторов под ВТСП подразумевает сверхпроводники с критической температурой выше точки кипения азота (77 К или −196 °C).
Как и "обычная" сверхпроводимость, явление заключается в полной утрате материалом электрического сопротивления при охлаждении ниже характерной для данного материала критической температуры. А особое их значение заключается в возможности практического использования с более дешевыми и удобными охладителями (жидким водородом, азотом), чем необходимый для классических сверхпроводников жидкий гелий под давлением.
На 2017 год явление наиболее широко известно и изучено в семействе сверхпроводящих керамик (смешанных оксидов) с общей структурной особенностью - слоями компонентов, разделёнными медно-кислородными слоями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов . Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди устойчивых при нормальном давлении и температуре сверхпроводников.
История
Первыми явление высокотемпературной сверхпроводимости в соединении La 2-x Ba x CuO 4 с критической температурой 35 К открыли сотрудники научного подразделения корпорации IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 году. За это открытие в 1987 г. им была немедленно присуждена Нобелевская премия . Любопытно, что смешанные керамики такого типа (перовскиты AMO3) в то же время активно изучались в СССР .
В 1987 году был открыт сверхпроводник YBCO (оксид иттрия-бария-меди), с критической температурой 92 К. Это был первый сверхпроводник, критическая температура которого выше температуры кипения жидкого азота (77 К).
В настоящее время (2015) рекордным значением критической температуры T c =203 K обладает H 2 S (сероводород) при давлении 150 ГПа.
В 2018 году рекорд высокотемпературной сверхпроводимости побит сразу дважды:
Другое
Ограниченность практического применения керамических ВТСП обусловлена тем, что магнитное поле, создаваемое протекающим по ВТСП током, при большой величине приводит к разрушению собственной слоистой структуры проводника и, следовательно, необратимой утрате сверхпроводящих свойств. При этом для сверхпроводящих изделий (как ВТСП, так и классических) достаточно такого нарушения в одной единственной точке, т.к. возникший дефект мгновенно становится участком с большим сопротивлением, на котором выделяется тепло, что вызывает последовательный нагрев соседних участков, т.е. лавинообразный выход из сверхпроводящего состояния всего проводника.
Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ . Четко сформированной теории сверхпроводимости в оксидных ВТСП в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко множеству интересных экспериментальных и теоретических результатов.
Главной целью исследований в области являются ВТСП - материалы, работающие как минимум при температурах, широко распространенных на Земле (порядка -30°C), как максимум - при комнатной температуре. Их создание привело бы к революции в энергетике и электронике, где значительной проблемой являются потери на сопротивление проводника.
Интерметаллиды
Примечания
Ссылки
Литература
- Максимов Е. Г. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости. Современное состояние // Успехи физических наук , 2000, т. 170, № 10, c. 1033-1061.
- Садовский М. В. Псевдощель в высокотемпературных сверхпроводниках // Успехи физических наук , 2001, т. 171, № 5, c. 539-564.
- Аксенов В. Л. Нейтронография купратных высокотемпературных сверхпроводников // Успехи физических наук , 2002, т. 172, № 6, c. 701-705.
- Пономарев Я. Г. Туннельная и андреевская спектроскопия высокотемпературных сверхпроводников // Успехи физических наук , 2002, т. 172, № 6, c. 705-711.
- Копаев Ю. В. Модели высокотемпературной сверхпроводимости // Успехи физических наук , 2002, т. 172, № 6, c. 712-715.
- Черноплеков Н. А. Состояние работ по сильноточной прикладной сверхпроводимости // Успехи физических наук , 2002, т. 172, № 6, c. 716-722.
- Белявский В. И. , Копаев Ю. В. Обобщающий взгляд на природу высокотемпературной сверхпроводимости (по материалам M2S-HTSC-VII) // Успехи физических наук , 2004, т. 174, № 4, c. 457-465.
- Мицен К. В. , Иваненко О. М.
Найтовский сдвиг
Частота ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для одного и того же ядра зависит от того, входит ли это ядро в состав металла или в состав диэлектрика. Сдвиг частоты ЯМР в металле по сравнению с диэлектриком, называемый сдвигом, или смещением Найта, объясняется большой вероятностью пребывания электронов проводимости в месте нахождения ядер. Эти электроны намагничиваются внешнем полем, и полное магнитное поле на ядре оказывается несколько большим внешнего поля. Поскольку магнитная восприимчивость нормальных металлов практически не зависит от температуры, постоянен в них и найтовский сдвиг.
В сверхпроводниках найтовский сдвиг наблюдают в эмульсиях или стопках тонких плёнок (размер частиц эмульсии или толщина плёнок должны быть гораздо меньше д, чтобы магнитное поле в них было достаточно однородным). Величина сдвига ниже Т к уменьшается, но даже при Т=0 сохраняет конечное значение, достигающее 75% от нормального. На первый взгляд это противоречит теории сверхпроводимости. Действительно, в основном состоянии с наименьшей энергией электроны объединены в куперовские пары, полный электронный спин которых равен нулю. Поэтому намагнитить электронную систему можно, лишь разорвав пары, но для этого нужна конечная энергия. Отсюда следует, что магнитный момент не может линейно зависеть от внешнего поля, т.е. магнитная восприимчивость равна нулю.
Наиболее убедительное объяснение конечной величины найтовского сдвига в сверхпроводниках при Т=0, по видимому, заключается в следующем. В образцах малых размеров электроны испытывают рассеяние от границ образцов и границ кристаллитов (величина которых меньше или порядка размеров образцов). Благодаря спин-орбитальному взаимодействию существует некоторая вероятность того, что при таком рассеянии спин электрона изменит свою ориентацию. Благодаря этому электронная система может намагничиваться в слабом магнитном поле.
Высокотемпературная сверхпроводимость
Чрезвычайно важным с практической точки зрения является вопрос высокотемпературной сверхпроводимости. Из всей известных материалов наибольшей температурой перехода в сверхпроводящее состояние обладает сплав (Nb 3 Al) 4 + Nb 3 Ge; Т к для него ~ 20 0 К. Для её получения требуется применение жидкого гелия. Рассмотренный ранее механизм перехода в сверхпроводящее состояние основан на межэлектронном взаимодействии посредством кристаллической решетки, то есть за счет обмена фононами. Теория БКШ показывает, что Т к непосредственно связана с интенсивностью силы притяжения, возникающей между электронами, и определяется следующим соотношением:
Т к = ие -1/g , (82)
где и - температура Дебая, g - константа, зависящая от силы притяжения между электронами и по порядку величины не превосходящая Ѕ, а практически всегда меньше Ѕ. При g = 1/3 максимальная критическая температура, которую можно получить для материала с и =500 0 К, составляет: Т к = ие -3 = 0,05и ~ 25 0 К. Конечно, эта оценка является очень грубой, но она достаточна для того, чтобы понять, что достичь высокотемпературной сверхпроводимости (Т к > 70-100 0 К) не представляется возможным. Следует подчеркнуть, что даже достижение Т к ~ 25 0 К было бы исключительно важным с практической точки зрения, так как позволило бы перейти от жидкого гелия к значительно дешёвому жидкому водороду. Таким образом, для реализации высокотемпературной сверхпроводимости необходимо искать другой механизм корреляции электронов.
Идея высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в органических соединениях была выдвинута в 1950г. Ф.Лондоном и лишь спустя 14 лет появился отклик на эту идею в работах американского физика В.Литтла, который выдвинул смелое предположение, что возможны сверхпроводники не металлической, а органической природы. Важное место в своих рассуждениях Литлл отводил полимерным молекулам, в основной цепи которых есть чередующиеся единичные и кратные связи (химики называют такие связи сопряжёнными). Дело в том, что каждая химическая связь, соединяющая атомы, - это пара принадлежащих им обоим электронов. В цепочке сопряженных связей степень обобществления электронов ещё выше: каждый из них в равной мере принадлежит всем атомам цепочки и может свободно перемещаться вдоль нее. Корреляция электронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется за счет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фрагментов может быть более сильной, а критическая температура более высокой, чем при фоновом механизме. Эту особенность сопряженных связей в основной цепи полимерной молекулы Литлл полагал важной предпосылкой для перехода в сверхпроводящее состояние. Необходимой для перехода он считал и особую структуру ответвлений от основной цепи. Составив проект своего полимера, учёный заключил: вещество с такими молекулами обязано быть сверхпроводящим; более того - в это состояние оно должно переходить при не очень низкой температуре, возможно, близкой к комнатной. Схематическая модель органического сверхпроводника изображена на рис 13.
Рис. 13
Проводники, свободные от всяких энергетических потерь при совершенно обычных условиях, конечно же, совершили бы революцию в электротехнике. Идея американского физика была подхвачена во многих лабораториях различных стран. Однако довольно быстро выяснилось, что придуманный Литллом полимер никак не мог перейти в сверхпроводящее состояние. Но энтузиазм, рожденный смелой идей, дал свои плоды, пускай и не там, где они предвиделись на первых порах. Сверхпроводимость была всё - таки обнаружена за пределами мира металлов. В 1980 году в Дании группа исследователей под руководством К. Бекгарда, экспериментируя с органическим веществом из класса ион-радикальных солей, перевела его в сверхпроводящее состояние при давлении 10 килобар и температуре на 0,9 градуса выше абсолютного нуля. В 1983 году коллектив советских физиков, возглавляемый доктором физико-математических наук И.Ф. Щеголевым, добился от вещества того же класса перехода в сверхпроводящее состояние уже при 7 градусах абсолютной шкалы температур и при нормальном давлении. В ходе всех этих поисков и проб вниманием исследователей не был обойден и карбин. (Карбин - органическое вещество, крайне редко встречающееся в природе. Структура которого - бесконечные линейные цепочки из атомов углерода. Свою структуру сохраняет при нагреве до 2000 С, а затем, начиная примерно с 2300 С, она перестраивается по типу кристаллической решётки графита. Плотность карбина составляет 1,92,2 г/см.
(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))
В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости, разработанной академиком В.Л.Гинзбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны - экситоны. Подобно фононам они являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с переносом электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электронной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры (Т c =200 К).
В конце 1986 г. было опубликовано сообщение К. Мюллера и Дж. Беднореца из Швейцарии об открытии сверхпроводимости керамики лантан - барий - медь - кислород при температуре, превышающей 30 0 К. Вскоре пришли сообщения из Японии и США о сверхпроводимости керамики лантан - стронций - медь - кислород при температурах 40-50 0 К. В СССР в лаборатории А. Головашкина в Физическом институте АН СССР было обнаружено, что в керамике на основе иттрия сверхпроводимость начинается при температуре 120 0 К. В настоящее время ведутся интенсивные поиски сверхпроводников с температурами, более высокими (возможно даже комнатными), которые уже привели к открытию обширного класса материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние при азотных температурах. Весьма перспективны в этом отношении полимерные сверхпроводники.
Наряду с изысканием сверхпроводящих материалов с повышенной Т к, основанных на эффекте спаривания электронов проводимости через положительно заряженные ионы решётки, в лабораториях всего мира ведутся интенсивные поиски других механизмов взаимодействия электронов, способных привести к более эффективному их притяжению, а следовательно, к получению сверхпроводящих материалов со значительно более высокой температурой перехода Т к..
1) В 1957 году создана универсальная теория БКШ, которая дала принципиальное объяснение явлению сверхпроводимости.
2) Электронную систему в сверхпроводнике можно представить как состоящую из связанных пар электронов (куперовских пар), а возбуждение, как разрыв пары.
3)Электронная система, находящаяся в сверхпроводящем состоянии, отделена от основного энергетической щелью ширины Е св.
4) В точке перехода в сверхпроводящее состояние теплоёмкость меняется скачком.
5) На основе теории сверхпроводимости было открыто явление, которое названо эффектом Джозефсона. Он заключается в протекании сверхпроводяшего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Различают два эффекта Джозефсона - стационарный и нестационарный.
6) Магнитный поток в сверхпроводнике квантуется и может принимать только ряд дискретных значений.
7)Промежуточное состояние сверхпроводников I рода зависит от формы образца, его расположения во внешнем магнитном поле и возникает далеко не всегда. Смешанное же состояние сверхпроводников II рода является внутренним свойством и возникает в образцах любой формы, как только магнитное поле достигает критического значения.
Американские физики разобрались с поведением электронов в так называемой псевдощелевой фазе вещества, предшествующей состоянию сверхпроводимости.
Сверхпроводимостью называют полное исчезновение электрического сопротивления вещества постоянному электрическому току при температуре ниже критической. Огромная практическая ценность сверхпроводников заключается в отсутствии в них потерь электрической энергии при протекании тока. Но на пути их широкого использования стоит очень низкая величина критической температуры. Для большинства веществ она близка к абсолютному нулю. До 1986 года наивысшей температурой обладал сплав Nb 3 Ge, для которого сверхпроводимость наступала при температуре ниже 23 К (-250° ). Поэтому возникла важная научная задача: найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре, желательно близкой к комнатной, что получило название высокотемпературной сверхпроводимости.
В 1986 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на базе оксидов меди (купратов), и в течение нескольких лет критическая температура поднялась до примерно 120 К. Однако эти вещества обладают очень сложной электронной структурой, что чрезвычайно затрудняет понимание того, как в них происходит переход к сверхпроводящему состоянию, без чего невозможно разработка сверхпроводников, работающих при более высоких температурах. С тех пор уже почти 30 лет ведутся сложные эксперименты по изучению этого вопроса.
В частности, было обнаружено, что состоянию сверхпроводимости у ВТСП предшествует состояние, названное «псевдощелевой фазой». Этот термин связан с особенностью энергетического спектра электронов в веществе (так называется дискретный набор разрешенных уровней энергии электронов в атоме). Электроны с низкими значениями энергии расположены в валентной зоне, электроны с большей энергией, способные перемещаться по веществу, — в зоне проводимости. В полупроводниках и диэлектриках валентную зону и зону проводимости разделяет интервал запрещенных значений энергии, называемый «щель». Чтобы участвовать в создании тока, электрон должен получить энергию, чтобы перескочить через щель из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому, чем больше ширина щели, тем сильнее изолирующие свойства материала.
Щель образуется и у сверхпроводников, но у нее другая природа. При возникновении сверхпроводимости электроны, близкие к уровню Ферми, образуют так называемые куперовские пары и оседают на уровне Ферми, и этот уровень начинает отделять щель от уровней одиночных электронов. Уровень Ферми определяется критической температурой.
Оказалось, что у ВТСП при температурах выше критических существует состояние с меньшим числом носителей заряда вблизи уровня Ферми, чем в обычном проводнике. Это явление получило название «псевдощель». Это состояние непонятной природы вызвало много вопросов у физиков. Поскольку состояние псевдощели предшествует и частично существует совместно со сверхпроводимостью (конкурирует с ней), ученые полагают, что исследование этого состояния поможет раскрыть тайны ВТСП. В последние годы этому вопросу посвящено много работ, одна из которых опубликована на днях в журнале «Science» .
Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории и Корнельского университета, используя разработанный ими уникальный высокоточный сканирующий туннельный микроскоп, сумели проследить детали превращения купрата из диэлектрика в сверхпроводник, через стадию псевдощели. Их экспериментальная установка позволяла определять пространственное расположение и направление движения электронов в материале, благодаря чему удалось обнаружить два новых явления.
В исходном состоянии исследуемый купрат Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ представляет собой изолятор. Чтобы превратить его в ВТСП, к нему в качестве источника носителей заряда (дырок) химически добавляли атомы кислорода. Такой процесс называется допирование, дополнительные атомы обозначены в формуле как «+δ». Физики систематически в течение длительного времени сканировали материал при различных уровнях допирования, чтобы проследить, как изменяется поведение и расположение электронов при эволюции материала в сверхпроводящее состояние.
При повышении количества носителей заряда (уровня допирования) материал переходил из состояния диэлектрика в псевдощелевую фазу. При низкой плотности носителей заряда наблюдалась достаточно статичная картина. Возникало экзотическое периодическое статическое расположение некоторых электронов, получившее название «волны плотности» или «полосы». Эти волны похожи на полоски «замороженных» электронов. Волны плотности, как и движение электронов, ограничены определенными направлениями. При дальнейшем увеличении числа зарядов ученые обнаружили, что волны плотности исчезают, а электроны в материале обретают способность свободно двигаться в любом направлении. Причем это происходит при том же уровне допирования, что и возникновение чистой сверхпроводимости.
«Впервые эксперимент напрямую связал исчезновение волн плотности и связанных с ними наноразмерных дефектов кристаллической решетки с появлением электронов, текущих свободно во всех направлениях, необходимых для неограниченной сверхпроводимости, - сказал ведущий автор Симус Дэвис (Séamus Davis). - Эти новые измерения, наконец, показали нам, почему в таинственном псевдощелевом состоянии этого материала электроны перемещаются менее свободно».
Дэвис сравнивает наблюдения с полетом над замерзшей рекой, где можно увидеть статические фрагменты, образованные льдом, и в то же время обнаружить течение жидкой воды. Эти полеты совершаются снова и снова в течение весны, когда замороженный водный путь постепенно тает. В купрате вместо повышения температуры ученые повышали уровень допирования, чтобы «топить» волны плотности в определенной критической точке.
Это открытие подтверждает давнюю идею, что именно волны плотности ограничивают поток электронов и ухудшают максимальную сверхпроводимость в псевдощелевой фазе. «Статическое расположение электронов и связанные наноразмерные флуктуации нарушают свободный поток электронов - как лед на реке ухудшает поток жидкой воды», - говорит Дэвис.
Практическое использование сверхпроводников долгое время сдерживалось одним из трех основных факторов: низкими температурами сверхпроводящего перехода, существованием критического магнитного поля и критического тока.
Если в криоэлектронике ВТСП успешно применялись уже в 1987 г (магнитные экраны, различные тонкопленочные приемники СВЧ-излучения, работающие при 77 К), то использование ВТСП в энергетике - дело ближайшего дня. В 1999 г. на 3-ей Международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов (Москва, Клязьма, Россия, авторы: А.Д.Никулин, А.К.Широков, А.Б. Воробьева) сообщалось, что в результате комплекса проведенных исследований и разработок во ВНИИНМ созданы основы процесса создания одножильных и многожильных проводников на основе висмутовой системы ( Bi -2212 и Bi -2223), а также массивных изделий на основе ВТСП керамики Y - Ba - Cu - O . Выпускаются композиционные ВТСП с длиной единичного куска до 250 м, с критическим током до 45 А (77 К, О Тл). Достигнутый уровень конструктивной плотности тока на таких проводниках - до 6 кА/см 2 (77 К, 0 Тс) позволил приступить к изготовлению изделий криогенной электротехники.
В сотрудничестве с МАИ, РНС «Курчатовский Институт», ИФВЭ, НИИ Электромашин изготовлены и успешно испытаны первые образцы криодвигателей, токовводов, магнитных катушек на основе ВТСП проводников.
Для применения в электронной технике многими научными группами ведутся работы по использованию ВТСП тонких пленок, получаемых различными методами. Например, изучаются подходы к расчету и изготовлению фильтров с квазисосредоточенными и сосредоточенными параметрами и малыми габаритами на частотах 500–2000 МГц, ВТСП материалы с температурным коэффициентом сопротивления близким к нулю для изготовления прецизионных низкотемпературных резисторов и др.
Перспективы применения сверхпроводников достаточно четко были отражены в статье "Новые сверхпроводники: перспективы применения" Алана М. Вольски и др. в журнале Scientific American, апрель 4, 1989 наиболее интересные из которых и приведем ниже (рисунок 10.18).
Рис. 10.18. Области применения сверхпроводников
Сверхпроводящие магниты. С помощью обычного электромагнита, представляющего собой катушку из медного провода, размещенной на железном сердечнике, можно создавать поля до 2 Тл, причем медные провода выдерживают плотность тока до 400 А/см 2 .
Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счет увеличения плотности тока до 100000 А/см 2 . Такие плотности тока позволяют получать сплавы из ниобия-3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4 К).
Объемные образцы иттрий - барий - оксид меди выдерживают плотность тока до 4000А/см 2 при температуре жидкого азота (77 К) в поле 1 Тл. В отсутствие магнитного поля плотность тока может достигать 17000 А/см 2 .
Генераторы и линии электропередач. Сверхпроводящие магниты могут повысить КПД генераторов большой мощности до 99.5%, хотя у обычных генераторов он уже достигает 98.6%. Ежегодная экономия топлива составит 1%. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электропередач могут стать только при передаче по ним большого количества энергии.
Аккумулирование электроэнергии. Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азотом обошлись бы на 3% дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты уменьшаются еще на 5%.
Поезда на магнитной подушке - наиболее перспективное применение сверхпроводников для скоростных поездов. Стоимость сооружения пути длиной 500км обойдется в 1.5 – 4.5 млрд долл. Стоимость самих поездов составит не более 10% от общей суммы затрат, а система охлаждения всего 1%.
Сверхнизкие температуры до 10 -6 К достигнуты в магнитных холодильниках при использовании магнитоэлектрического эффекта. Такие системы важны для космических и оборонных программ.
Компьютеры и сверхпроводники. В будущем может быть создан суперкомпьютер на ВТСП с быстродействием в 1000 раз больше, чем у компьютеров, проектируемых в настоящее время. Время переключения на переходах Джозефсона (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика) составит не более 10 -13 с для Т кр =10К и 10 -14 с для материала с Т кр =100К.
В 1962 г . Б. Джозефсон теоретически предсказал эффект слабой сверхпроводимости, который служит подтверждением того, что сверхпроводимость - квантовое явление. Эффекты Джозефсона, как и эффект квантования магнитного потока, показывают, что между носителями сверхпроводящего тока - куперовскими парами существует согласованное когерентное поведение и жесткая фазовая корреляция. Джозефсоном было показано, что при туннельных экспериментах с пленочными структурами сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник следует ожидать просачивания куперовских пар через слой диэлектрика толщиной 10–20 А. Туннельный ток можно наблюдать и при контакте нормального металла и сверхпроводника, разделенных тонким непроводящим слоем.
Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. При стационарном эффекте в отсутствие электрического поля сверхпроводящий ток протекает через диэлектрик, если его толщина порядка одного–двух нанометров. Это означает, что куперовские пары туннелируют из одного электрода в другой не вызывая падения напряжения. Прохождение туннельного тока в таком режиме будет происходить до тех пор, пока его плотность не превысит некоторой критической величины, являющейся характеристикой туннельного контакта. Любое магнитное поле влияет на этот сверхпроводящий ток и обращает его в нуль, когда полный магнитный поток в диэлектрическом зазоре будет равен целому числу квантов потока F 0 . Джозефсоновский ток зависит от магнитного поля согласно выражению
|
|
(10. 2 9) |
где I –ток, зависящий от свойств контакта и не зависящий от поля, Ф 0 – полный магнитный поток в туннельном контакте.
Нестационарный эффект Джозефсона состоит в том, что когда плотность постоянного туннельного тока превысит критическое значение, то на контакте, кроме постоянной составляющей электрического напряжения V , появляется еще и высокочастотный переменный ток с угловой частотой w , причем
|
(10.30) |
При напряжении на контакте 1 мВ частота переменного джозефсоновского тока равна 4,85 · 10 - 1 с - 1 , что соответствует электромагнитному излучению с длиной волны 600 мкм. Эксперименты Джозефсона с классическими сверхпроводниками показали, что электроны связываются в куперовские пары и заполняют одно квантовое состояние. Эффекты Джозефсона находят применение в приборостроении. На их основе созданы квантовые интерференционные магнитометры - СКВИДы (сокращение по первым буквам английского названия), используемые для измерения слабых магнитных полей до10 - 15 Т в качестве приемников СВЧ излучения и ряда других приборов микроэлектроники и сверхпроводящей криоэлектроники. Созданы СКВИДы на основе ВТСП керамики работающие при 77 К. Перспективно использование эффектов джозефсоновских переходов для изделий сверхпроводящих ЭВМ нового поколения и других электронных устройств СКВИДы (сверхпроводящий квантовый итерференционный детектор). С помощью СКВИДа можно измерять падение напряжения до 10 -18 В, токи 10 -18 А (несколько электронов в секунду) и магнитные поля меньшие 10 -14 Тл. Аналогов подобной чувствительности нет. Новые сверхпроводники позволяют регулировать частоты до 10 12 Гц (близко к квантовому пределу). Чувствительность обычных приборов не превышает 10 10 Гц. Применение СКВИДов - магнитоэнцефалография, элементы памяти. СКВИДы используются физиками для исследования кварков, магнитных монополей, гравитонов, геологами для поисков нефти, воды, минералов, разрабатываются детекторы для обнаружения подводных лодок.
Явление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) не так
давно интересовало только ученых. Однако сегодня на рынок
электроэнергетического оборудования выходят коммерчески прибыльные продукты на основе
ВТСП, в том
числе российского производства. ВТСП может
совершить прорыв в технологиях
передачи электроэнергии.
Совсем не жаркая ВТСП
В начале ХХ века было открыто, что ряду металлов и сплавов
свойственна сверхпроводимость, то есть способность обладать нулевым сопротивлением, при температуре, близкой к абсолютному
нулю (около −270°С). Долгое время сверхпроводники можно было использовать только при температуре жидкого гелия, что позволило создать ускорительное оборудование и магнитно-резонансные
томографы.
В 1986 г.
открыли сверхпроводимость при температуре около 30К, что было удостоено Нобелевской премии, а в начале
1990-х гг. удалось достичь сверхпроводимости уже при 138К, причем в качестве
сверхпроводника использовались уже не металлы,
а оксидные
соединения.
Керамические материалы, обладающие нулевым сопротивлением при температуре выше температуры жидкого азота (77К) получили название высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Однако если мы переведем
Кельвины в более
привычные для нас градусы Цельсия, то поймем, что речь идет о не слишком
высоких температурах, скажем, порядка минус 169–200°С. Такие
условия даже суровая русская зима обеспечить не в состоянии.
Умы исследователей будоражит идея найти материалы, способные переходить в сверхпроводящее
состояние при комнатной температуре (293К). Теоретически такая возможность существует. По некоторым
данным, сверхпроводящие свойства якобы удавалось зафиксировать даже у отдельных
зерен графита после специальной обработки. На сегодняшний
день поиск «комнатнотемпературных» сверхпроводников (КТСП) считается одной из ключевых
исследовательских задач в области
нанотехнологий. Однако пока не только
практическое применение, но и надежное
экспериментальное подтверждение КТСП остается вопросом завтрашнего дня. Сегодняшняя электроэнергетика осваивает использование ВТСП.
Оборудование на основе
высокотемпературной сверхпроводимости требует охлаждения жидким азотом. Как отмечают
эксперты отрасли, это относительно дешевый и удобный
хладагент, обеспечивающий температуру 77К и позволяющий
реализовывать практические проекты.
Польза сверхпроводимости
Сверхпроводимость может использоваться (и уже
используется) в самых
разных сферах. Впервые она была применена при создании магнитов с высокими
полями. С помощью
сверхпроводников может быть обеспечена магнитная левитация, позволяющая высокоскоростным поездам двигаться плавно, без шума и трения.
Создаются ВТСП электродвигатели для судов и промышленности,
которые обладают существенно меньшими массогабаритными параметрами при равной мощности. Сверхпроводимость интересна с точки
зрения микроэлектроники и компьютерной
техники. Низкотемпературные сверхпроводники применяются в медицинских
диагностических аппаратах (томографах), и даже
в таких
экзотических проектах «меганауки», как большой адронный коллайдер и международный
термоядерный реактор.
С высокотемпературной сверхпроводимостью связаны надежды на преодоление
глобальной энергетической дилеммы, связанной, с одной
стороны, с постоянным
ростом энергопотребления в настоящем
и будущем,
а с другой
стороны, с необходимостью
радикально сокращать выбросы углекислого газа, чтобы предотвратить изменения климата. Ведь по
сути дела ВТСП выводит привычное оборудование для генерации и передачи
электроэнергии на принципиально
новый уровень с точки
зрения эффективности.
Одно из самых
очевидных применений сверхпроводников связано с передачей
электроэнергии. ВТСП кабели
могут передавать значительную мощность при минимальном сечении, то есть обладают пропускной способностью другого порядка, нежели традиционные кабели. При прохождении
тока через сверхпроводник не выделяется
тепло, и практически
отсутствуют потери, то есть решается главная проблема распределительных сетей.
Генераторы благодаря обмоткам из сверхпроводящих
материалов, обеспечивающим огромные магнитные поля, становятся значительно мощнее. К примеру,
концерн Siemens построил три ВТСП генератора мощностью до 4 МВт.
Машина в два
раза легче и меньше
по сравнению с обычным
генератором той же
мощности. Также, ВТСП генератор показал большую устойчивость по напряжению при изменении нагрузки и более
высокие характеристики с точки
зрения потребления реактивной мощности.
Сегодня в мире
активно ведутся разработки ветрогенераторов на основе
высокотемпературной сверхпроводимости. При использовании
ВТСП обмоток реально создание ВТСП генераторов мощностью 10 МВт,
которые будут в 2–4 раза легче обычных.
Перспективная сфера для широкого применения сверхпроводников - накопители энергии, роль которых также велика с точки
зрения развития современных энергосистем, использующих возобновляемые источники энергии. Даже привычное
электрооборудование, такое как трансформаторы, приобретает качественно новые характеристики благодаря ВТСП.
Сверхпроводимость позволяет создавать такие необычные устройства как ограничители тока короткого замыкания, полностью автоматически ограничивающие ток при замыкании и автоматически же
включающиеся при снятии КЗ.
Лента второго поколения
Что же
из этих
многообещающих идей уже удалось воплотить на практике,
и чьими
усилиями? В первую
очередь нужно отметить, что на сегодняшний
день на рынке
представлены высокотемпературные сверхпроводники первого и второго
поколения (ВТСП-1 и ВТСП-2).
По объему
выпущенной на сегодняшний
день продукции пока выигрывают ВТСП-1, но для
экспертов очевидно, что будущее за сверхпроводниками
второго поколения. Это связано
с тем,
что в конструкции
сверхпроводников ВТСП-2 более 70% составляет матрица, изготовленная из серебра.
Одна из ключевых
российских компаний, работающих над темой сверхпроводников второго поколения, - ЗАО «СуперОкс».
Зародилась она в стенах
МГУ имени Ломоносова, где научная группа химического факультета работала над технологией осаждения тонких пленок сверхпроводников. В 2006
г. на базе
накопленных знаний был запущен коммерческий проект по созданию отечественного производства ВТСП-проводов
2-го поколения.
В 2011 г.
сфера интересов «СуперОкс» была расширена за счет
тесного взаимодействия с вновь
созданной компанией SuperOx Japan LLC. Была создана
пилотная производственная линия, позволяющая производить ВТСП-провод
с критическим
током до 500 А/см
ширины. С 2011
г. компания «СуперОкс-Инновации» также является резидентом «Сколково», где ведет прикладные исследования, направленные на оптимизацию
технических характеристик ВТСП лент второго поколения, разрабатывает различные технологии производства этих материалов. В 2013
г. было запущено производство ленты ВТСП-2 в московском
технопарке «Слава».
«Наш продукт, сверхпроводящая лента второго поколения представляет собой подложку из специальной
нержавеющей стали, устойчивой к высоким
температурам, которая впоследствии при нанесении тонких пленок не теряет
своих механических свойств, - рассказывает Вадим Амеличев, ведущий специалист ЗАО «СуперОкс».
- Специальными методами на эту
подложку наносятся буферные оксидные слои, а в качестве
функционального слоя - пленка купрата гадолиния-бария. Затем эта структура покрывается тонкими слоями серебра или меди, и в таком
виде используется в сверхпроводниковых
устройствах.
У такого материала при толщине пленки всего в один-два
микрона токопроводящая способность около 500 А
на 1 мм²
сечения, то есть в сотни
раз больше, чем у обычного
медного кабеля. Соответственно, такая лента идеальна для применений, где требуется высокий ток. Кабели на большие
токи, магниты на большие
поля - основная область применения».
«СуперОкс» обладает полным циклом производства ленты ВТСП-2. В 2012
г. стартовали продажи этого инновационного продукта, и сейчас
материал поставляется не только
в Россию,
но и экспортируется
в девять
стран, в том
числе Евросоюз, Японию, Тайвань и Новую
Зеландию.
«В мире не так
много производителей ленты ВТСП-2, - поясняет Вадим Амеличев. - Есть две американские фирмы, компании в Южной
Корее и Японии.
В Европе
кроме нас никто в промышленных
масштабах такую ленту не производит.
Нашу ленту
тестировали во многих
исследовательских центрах и подтвердили
конкурентоспособность ее характеристик».
Развить новую индустрию
«Несмотря на то,
что высокотемпературная сверхпроводимость появилась совсем недавно, вопросами ее применения
в технике
интенсивно занимаются в технологически
развитых странах мира, - рассказывает Виктор Панцырный, д.т.н., действительный член АЭН РФ, директор по развитию АО «Русский сверхпроводник», - В нашей стране в рамках
Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому
развитию экономики России инициирован проект «Сверхпроводниковая индустрия» как часть проекта «Инновационная энергетика» по приоритетному направлению «Энергоэффективность».
Данный проект в области
сверхпроводниковой индустрии координирует компания «Русский сверхпроводник», созданная Госкорпорацией «Росатом». За пятилетку
с 2011 по
2015 г.
здесь планируют создать конкурентоспособные технологии производства высокотемпературных сверхпроводников второго поколения, опытное производство длинномерных (до 1000 м)
ленточных проводов ВТСП-2, а также
разработать прототипы оборудования на основе
ВТСП-2 проводов для электроэнергетики. Это и генераторы
большой мощности, и ограничители
тока (СОТ), и кинетические
накопители энергии (КНЭ), а также
мощные токовводы для магнитных систем, индуктивные накопители энергии (СПИН), трансформаторы, электродвигатели большой мощности.
С 2016 г.
планируется запустить серийное производство ВТСП-2 проводов и ряда
устройств на их основе.
В работах
по данному проекту участвуют около 30 организаций,
включая ВУЗы, академические и отраслевые
научно-исследовательские центры, проектные бюро и промышленные
организации, в частности
ОАО «ВНИИНМ»,
ОАО «НИИЭФА»,
ОАО «НИИТФА»,
ОАО «ГИРЕДМЕТ»,
ОАО «НИФХИ»,
ОАО ТВЭЛ, ОАО «Точмаш»
так и вне
его, в НИЦ
«Курчатовский институт», ЭНИН им. Кржижановского,
ФГБОУ МАИ, НИЯУ МИФИ, ГУАП, ОАО «Россети»,
ОАО «НТЦ
ФСК ЕЭС», ЗАО «СуперОкс»,
ОАО «ВНИИКП»,
ОАО «НИИЭМ»,
ОКБ «Якорь» и др.
«Структурно проект состоит из девяти
задач, выполняемых параллельно, - поясняет Виктор Панцырный. - С 2011 по
2013 гг.
удалось создать первые отечественные действующие макеты сверхпроводниковых машин - двигатель и генератор
мощностью 50 кВт,
кинетический накопитель энергии на 0,5 МДж, сверхпроводниковый ограничитель токов короткого замыкания мощностью 3,5 МВт для энергетических сетей напряжением 3,5 кВ, сверхпроводниковый трансформатор мощностью 10 кВА,
токовводы для магнитных систем, пропускающие ток 1500А.
Также созданы основы технологии полностью отечественного производства ленточных проводов ВТСП-2, начиная от сырьевых
материалов и заканчивая
методами контроля готовой продукции. Были найдены
основные технологические решения, позволившие перейти к созданию
полномасштабных прототипов энергетических устройств. Так в настоящее
время завершается работа по созданию двигателя мощностью 200 кВт».
Благодаря применению ВТСП-2 обмоток такой двигатель при его установке на электромобиль
(электробус) позволит увеличить пробег на 15–20% между подзарядками аккумуляторных батарей. Изготовлен и готовится
к испытаниям
в сети
железнодорожного транспорта сверхпроводящий ограничитель токов короткого замыкания мощностью более 7 МВА.
Завершается изготовление генератора мощностью 1 МВА,
перспективного для применения в ветряных
энергетических установках.
На базе уникальных технологий Росатома создается кинетический накопитель энергии со сверхпроводниковым
подвесом маховиков, который имеет энергоемкость более 7 МДж.
Следует отметить разработку индуктивного накопителя энергии, способного в предельно
короткое время отдать аккумулированную энергию до нескольких
МДж. В завершающей
стадии находятся и работы
по созданию сверхпроводникового трансформатора мощностью уже 1000 кВА.
«Кроме того, важнейшими результатами проекта будут создание мощной экспериментальной и технологической
базы, а также
формирование коллективов высококвалифицированных специалистов в сфере
сверхпроводниковых технологий, - заключает Виктор Панцырный. - В этом году в НИЦ
Курчатовский институт заработает комплексная производственно-исследовательская линия по получению ВТСП-2 ленточных сверхпроводников методом лазерной абляции. Линия станет инструментом развития науки и технологии
ВТСП материалов, используя в максимальной
степени мощную научную инфраструктуру курчатовского НБИКС центра. Это позволит
интенсивно развивать перспективную высокотехнологичную область, ведущую к коммерциализации
сверхпроводниковых технологий».
Кабели переменного тока
Нельзя не рассказать
о российском
проекте по созданию сверхпроводящего кабеля длиной 200 м.
Над созданием
кабеля работали ОАО «Энергетический
институт им. Г.М. Кржижановского»
(ЭНИН), ОАО «Всероссийского
научно-исследовательский институт кабельной промышленности» (ВНИИКП), Московский авиационный институт и ОАО «НТЦ
электроэнергетики». Разработка началась в 2005 г.,
в 2009 г.
был создан опытный образец, успешно прошедший испытания на специально
созданном уникальном полигоне.
Основные достоинства ВТСП кабеля - высокая токовая нагрузка, малые потери, экологическая чистота и пожарная
безопасность. Кроме того, при передаче большой мощности по такому кабелю при напряжении 10–20 кВ не требуются
промежуточные подстанции.
ВТСП кабель представляет собой сложную многослойную конструкцию. Центральный несущий элемент выполнен в виде
спирали из нержавеющей
стали, окруженной пучком проводов из меди
и нержавеющей
стали, обмотанных медной лентой. Поверх центрального элемента укладываются два повива сверхпроводящих лент, а сверху
- высоковольтная изоляция. Затем следует наложение сверхпроводящего экрана, повивы гибких медных лент, обмотанных лентой из нержавеющей
стали. Каждая жила кабеля затягивается в собственный
гибкий криостат длиной 200 м.
Создание этой многокомпонентной конструкции осложняется тем, что ВТСП лента крайне чувствительна Основная часть технологических операций проводилась на базе
ОАО «ВНИИКП».
Однако для изготовления высоковольтной изоляции кабель свозили в г. Пермь
на завод
«Камский кабель».
«Для ВТСП кабеля мы производили
операцию наложения бумажной изоляции, - рассказывает Александр Азанов, заместитель главного технолога ООО «Камский
кабель». - Было задействовано уникальное оборудование, которое ранее использовалось для производства маслонаполненных кабелей высокого напряжения. Именно поэтому не пожалели
ресурсов на доставку
полуфабриката из Москвы
в Пермь
и обратно.
И, думаю, что пока для производства таких специальных кабелей целесообразно задействовать уникальное оборудование, установленное на разных
заводах, чем организовывать производство в одном
месте.
В ближайшее время организация серийного производства данного кабеля на нашем
или любом другом заводе маловероятна, так как монтаж линий со сверхпроводниками
производится крайне редко и очень
малыми длинами (не более
1 км).
Главная причина тому - стоимость ВТСП кабелей и их обслуживания
(требуется постоянно прокачивать жидкий азот через кабель)».
Кабели постоянного тока
На сегодняшний день разработки в области
создания ВТСП кабелей продолжаются. ОАО «ФСК
ЕЭС» и ОАО «НТЦ
ФСК ЕЭС» ведут совместный НИОКР «Создание высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока на напряжение
20 кВ
с током
2500 А
длиной до 2500 м».
Первый прототип будущей инновационной системы передачи энергии - два отрезка биполярного ВТСП кабеля по 30 м,
разработанные в НТЦ
ФСК ЕЭС и изготовленные
на заводе
«Иркутсккабель», - успешно прошли токовые и высоковольтные
испытания в 2013 г.
В ноябре 2014 г.
состоялись испытания комплекта преобразовательного оборудования для инновационной передачи электроэнергии мощностью 50 МВт
с использованием
сверхпроводящего кабеля длиной в несколько
сотен метров. Применение ВТСП кабеля для электроснабжения крупных городов позволит добиться уменьшения площадей землеотводов, отказаться от строительства
воздушных линий и снизить
потери электроэнергии.
В НТЦ ФСК ЕЭС отмечают, что кабельная линия постоянного тока на основе
ВТСП обладает рядом достоинств по сравнению с линией
переменного тока. Она не только
позволяет передавать мощность с минимальными
потерями, но и ограничивать
токи короткого замыкания, регулировать реактивную мощность, управлять потоками мощности и обеспечивать
ее реверс.
«Приятно осознавать, что российские разработчики ВТСП кабелей находятся на передовых
рубежах, - говорит Виталий Высоцкий, д.т.н., академик АЭН РФ, директор научного направления - зав. отделением сверхпроводящих проводов и кабелей
ОАО «ВНИИКП».
- Например, кабель 200 м
являлся крупнейшим в Европе
в 2009–2013 гг.,
и только
в 2014 г.
в Германии
был установлен кабель длиной 1 км.
Но и этот
рекорд будет перекрыт с испытанием
кабеля 2,5 км для С.-Петербурга».
От господдержки - к частным инвестициям
Эксперты прогнозируют достаточно активное развитие мирового и российского
рынка сверхпроводников. Так, Андрей Вавилов, председатель Совета Директоров ЗАО «СуперОкс»,
отмечает, что объем мирового рынка ВТСП удваивается каждый год и в 2017 г.
достигнет $1
млрд, при этом долю РФ в мировом
рынке можно оценить примерно в 10%.
«Рынок сверхпроводимости для электроэнергетики обязан развиваться, поскольку плотность потребления энергии постоянно растет и без
сверхпроводимости поддерживать растущие запросы невозможно», - уверен Виталий Высоцкий. - Однако энергетики весьма консервативны по отношению ко всему
новому, да еще и дорогостоящему.
Поэтому пока главная задача - все-таки
продвижение новых проектов с поддержкой
государственных организаций. Это станет
доказательством надежности и эффективности
сверхпроводящих устройств. Появление новых проектов вызовет спрос на производство
ВТСП лент, увеличение их выпуска
и снижение
цены, что опять же
поможет развитию рынка».
«На данной стадии комплексное решение всех поставленных задач невозможно без всесторонней помощи государства, но с каждым
годом повышается инвестиционная привлекательность ВТСП техники, что позволяет с высокой
долей уверенности ожидать притока частных инвестиций в ее дальнейшее
коммерческое развитие», - соглашается с коллегой
Виктор Панцырный.
Экспертов радует, что в целом
на уровне
государства есть понимание значимости сверхпроводниковых технологий.
«Развитие сверхпроводниковой индустрии имеет общенациональное значение и является
важной составной частью перехода на инновационный
путь развития экономики страны. Это было
недавно констатировано на расширенном
заседании Консультативного Совета при председателе Комитета Государственной Думы по энергетике ФС РФ, где, в частности,
было отмечено, что для обеспечения экономической и политической
независимости России стратегически необходимо иметь отечественное производство низко- и высокотемпературных
сверхпроводящих материалов, сверхпроводниковых устройств и изделий
на их основе»,
- сообщает Виктор Панцырный.
Планы на будущее
Мы попросили экспертов оценить, какие сферы применения сверхпроводимости, на их взгляд,
наиболее перспективны и где
можно ожидать коммерческого использования технологии в ближайшие
годы.
«Как и во всем
мире, в России
сегодня наиболее продвинуты проекты сверхпроводящих кабелей. Они должны
и, надеемся, будут развиваться, - рассказывает Виталий Высоцкий. - Сверхпроводящие кабели на основе
ВТСП - уже сейчас чисто коммерческий продукт, правда, пока еще достаточно дорогой. Он станет
дешевле, когда начнется его широкое внедрение и потребуется
значительное количество ВТСП лент, что и удешевит
их производство.
Однако, на мой
взгляд, наиболее необходимыми и востребованными
для электроэнергетики являются сверхпроводящие ограничители тока КЗ на уровни
напряжения от 100 кВ
и выше.
Обычных устройств такого класса напряжения просто не существует,
и без
сверхпроводимости здесь просто не обойтись.
Такие проекты уже обсуждаются в нашей
стране. Кроме того, по моему мнению, хорошие перспективы имеют ВТСП машины для ветрогенераторов. Они сулят
значительное (в разы)
снижение веса единичного генератора и увеличение
единичной мощности».
«Сегодня драйвер развития рынка сверхпроводниковых изделий - электроэнергетика (силовые кабели и ограничители
тока), - считает Андрей Вавилов. - Но и в ряде
других отраслей имеется значительный потенциал. Например, сегодня разрабатываются варианты применения ВТСП провода как эффективной замены низкотемпературных сверхпроводников в ускорительной
технике, используемой для науки, производства изотопов и медицины.
В России
имеются большие планы в этой
области, в частности,
по строительству современного коллайдера NICA в Дубне.
Большой потенциал имеет создание эффективных вращающихся машин, имеющих уникальные тяговые характеристики, низкую массу и вес.
Такие двигатели востребованы в первую
очередь для обеспечения движения больших судов, а генераторы
могут использоваться в возобновляемой
энергетике.
Совершенно новые перспективы сегодня открывает явление магнитной левитации. Это не только
транспортные системы, но и бесконтактные
манипуляторы, а также
долговечные подшипники с широким
спектром применения».
«Дальнейшее развитие высокотемпературной сверхпроводимости будет иметь выраженный мультипликативный эффект не только
в электроэнергетике,
но и в иных
отраслях, таких как космический, авиационный, морской, автомобильный и железнодорожный
транспорт, машиностроение, металлургия, электроника, медицина, ускорительная техника. Технологии сверхпроводимости также важны и для
укрепления обороноспособности страны», - убежден Виктор Панцырный.
Одним словом, дальнейшее развитие технологий на основе сверхпроводимости открывает перед человечеством огромные перспективы, причем уже в обозримом времени.