Високотемпературна надпровідність(ВТСП, Високотемпературні надпровідникиабо Високі-T c) - надпровідність при відносно високих температурах. Історично граничною величиною є температура 30 К, проте ряд авторів під ВТСП має на увазі надпровідники з критичною температурою вище точки кипіння азоту (77 К або −196 °C).
Як і "звичайна" надпровідність, явище полягає у повній втраті матеріалом електричного опору при охолодженні нижче характерної для даного матеріалу критичної температури. А особливе їхнє значення полягає у можливості практичного використання з більш дешевими та зручними охолоджувачами (рідким воднем, азотом), ніж необхідний для класичних надпровідників рідкий гелій під тиском.
На 2017 рік явище найбільш широко відоме та вивчене у сімействі надпровідних керамік (змішаних оксидів) із загальною структурною особливістю – шарами компонентів, розділеними мідно-кисневими шарами. Їх також називають надпровідниками на основі купратів. Температура надпровідного переходу, яка може бути досягнута в деяких складах у цьому сімействі, є найвищою серед стійких при нормальному тиску та температурі надпровідників.
Історія
Першими явище високотемпературної надпровідності у поєднанні La 2-x Ba x CuO 4 з критичною температурою 35 К відкрили співробітники наукового підрозділу корпорації IBM Карл Мюллер та Георг Беднорц у 1986 році. За це відкриття 1987 р. їм було негайно присуджено Нобелівську премію. Цікаво, що змішані кераміки такого типу (перовскіти AMO3) одночасно активно вивчалися в СРСР.
У 1987 році було відкрито надпровідник YBCO (оксид ітрію-барію-міді), з критичною температурою 92 К. Це був перший надпровідник, критична температура якого вище температури кипіння рідкого азоту (77 К).
В даний час (2015) рекордним значенням критичної температури T c =203 K має H 2 S (сірководень) при тиску 150 ГПа.
У 2018 році рекорд високотемпературної надпровідності побито одразу двічі:
інше
Обмеженість практичного застосування керамічних ВТСП обумовлена тим, що магнітне поле, створюване струмом, що протікає по ВТСП, при великій величині призводить до руйнування власної шаруватої структури провідника і, отже, незворотній втраті надпровідних властивостей. При цьому для надпровідних виробів (як ВТСП, так і класичних) достатньо такого порушення в одній точці, т.к. виник дефект миттєво стає ділянкою з великим опором, у якому виділяється тепло, що викликає послідовний нагрівання сусідніх ділянок, тобто. лавиноподібний вихід із надпровідного стану всього провідника.
Нормальний (і надпровідні) стани показують багато загальних особливостей між різними складами купратів; багато з цих властивостей не можуть бути пояснені в рамках теорії БКШ. Чітко сформованої теорії надпровідності в оксидних ВТСП нині немає; проте, проблема призвела до багатьох цікавих експериментальних і теоретичних результатів.
Головною метою досліджень в області є ВТСП - матеріали, що працюють як мінімум при температурах, поширених на Землі (порядку -30°C), як максимум - при кімнатній температурі. Їхнє створення призвело б до революції в енергетиці та електроніці, де значною проблемою є втрати на опір провідника.
Інтерметаліди
Примітки
Посилання
Література
- Максимов Є.Г.Проблема високотемпературної надпровідності. Сучасний стан // Успіхи фізичних наук, 2000, т. 170, № 10, c. 1033–1061.
- Садовський М. В.Псевдощель у високотемпературних надпровідниках // Успіхи фізичних наук, 2001, т. 171 № 5, c. 539-564.
- Аксьонов В. Л.Нейтронографія купратних високотемпературних надпровідників // Успіхи фізичних наук, 2002, т. 172, № 6, c. 701-705.
- Пономарьов Я. Г.Тунельна та андріївська спектроскопія високотемпературних надпровідників // Успіхи фізичних наук, 2002, т. 172, № 6, c. 705-711.
- Копаєв Ю. В.Моделі високотемпературної надпровідності // Успіхи фізичних наук, 2002, т. 172, № 6, c. 712-715.
- Чорноплеков Н. А.Стан робіт з сильноточної прикладної надпровідності // Успіхи фізичних наук, 2002, т. 172, № 6, c. 716-722.
- Білявський В. І., Копаєв Ю. В.Узагальнюючий погляд на природу високотемпературної надпровідності (за матеріалами M2S-HTSC-VII) // Успіхи фізичних наук, 2004, т. 174 № 4, c. 457-465.
- Міцен К. В., Іваненко О. М.
Найтовський зсув
Частота ядерного магнітного резонансу (ЯМР) для одного і того ж ядра залежить від того, чи це ядро входить до складу металу або до складу діелектрика. Зсув частоти ЯМР в металі в порівнянні з діелектриком, званий зсувом, або усуненням Найта, пояснюється великою ймовірністю перебування електронів провідності у місці знаходження ядер. Ці електрони намагнічуються зовнішнім полем, і повне магнітне поле на ядрі виявляється дещо більшим від зовнішнього поля. Оскільки магнітна сприйнятливість нормальних металів практично залежить від температури, постійний у яких і найтовський зрушення.
У надпровідниках найтовський зсув спостерігають в емульсіях або стосах тонких плівок (розмір частинок емульсії або товщина плівок повинні бути набагато меншими, щоб магнітне поле в них було досить однорідним). Величина зсуву нижче Т до зменшується, але навіть при Т=0 зберігає кінцеве значення, що досягає 75% нормального. На погляд це суперечить теорії надпровідності. Дійсно, в основному стані з найменшою енергією електрони об'єднані в куперівські пари, повний електронний спин яких дорівнює нулю. Тому намагнітити електронну систему можна лише розірвавши пари, але для цього потрібна кінцева енергія. Звідси випливає, що магнітний момент неспроможна лінійно залежати від зовнішнього поля, тобто. магнітна сприйнятливість дорівнює нулю.
Найбільш переконливе пояснення кінцевої величини найтовського зсуву в надпровідниках при Т = 0, очевидно, ось у чому. У зразках малих розмірів електрони зазнають розсіювання від меж зразків і меж кристаллітів (величина яких менше або порядку розмірів зразків). Завдяки спін-орбітальній взаємодії існує певна ймовірність того, що при такому розсіюванні спин електрона змінить свою орієнтацію. Завдяки цьому електронна система може намагнічуватись у слабкому магнітному полі.
Високотемпературна надпровідність
Надзвичайно важливим із практичної точки зору є питання високотемпературної надпровідності. З усієї відомих матеріалів найбільшою температурою переходу в надпровідний стан має сплав (Nb 3 Al) 4 + Nb 3 Ge; Т до нього ~ 20 0 К. Для її отримання потрібне застосування рідкого гелію. Розглянутий раніше механізм переходу в надпровідний стан заснований на міжелектронній взаємодії за допомогою кристалічних ґрат, тобто за рахунок обміну фононами. Теорія БКШ показує, що Т безпосередньо пов'язана з інтенсивністю сили тяжіння, що виникає між електронами, і визначається наступним співвідношенням:
Т к = ие -1/g , (82)
де і - температура Дебая, g - константа, що залежить від сили тяжіння між електронами і по порядку величини не перевищує Ѕ, а завжди менше Ѕ. При g = 1/3 максимальна критична температура, яку можна отримати для матеріалу з і =500 0 К, становить: Т к = ие -3 = 0,05 і ~ 25 0 К. Звичайно, ця оцінка є дуже грубою, але вона достатня для того, щоб зрозуміти, що досягти високотемпературної надпровідності (Т до > 70-100 0 К) неможливо. Слід наголосити, що навіть досягнення Т до ~ 25 0 К було б виключно важливим з практичної точки зору, оскільки дозволило б перейти від рідкого гелію до значно дешевого рідкого водню. Отже, реалізації високотемпературної надпровідності необхідно шукати інший механізм кореляції електронів.
Ідея високотемпературної надпровідності (ВТСП) в органічних сполуках було висунуто 1950г. Ф. Лондоном і лише через 14 років з'явився відгук на цю ідею в роботах американського фізика В. Літла, який висунув сміливе припущення, що можливі надпровідники не металевої, а органічної природи. Важливе місце у своїх міркуваннях Літлл відводив полімерним молекулам, в основний ланцюг яких є поодинокі і кратні зв'язки, що чергуються (хіміки називають такі зв'язки сполученими). Справа в тому, що кожен хімічний зв'язок, що з'єднує атоми, - це пара електронів, що їм належать. У ланцюжку пов'язаних зв'язків ступінь узагальнення електронів ще вищий: кожен із них однаково належить всім атомам ланцюжка і може вільно переміщатися вздовж нього. Кореляція електронів, що рухаються вздовж ланцюжка, здійснюється за рахунок поляризації цих фрагментів, а не кристалічних ґрат. Оскільки маса електрона на кілька порядків менша за масу будь-якого іона, поляризація електронних фрагментів може бути сильнішою, а критична температура вищою, ніж при фоновому механізмі. Цю особливість сполучених зв'язків в основний ланцюг полімерної молекули Літлл вважав важливою передумовою для переходу в надпровідний стан. Необхідною переходу він вважав і особливу структуру відгалужень від основного ланцюга. Склавши проект свого полімеру, учений уклав: речовина з такими молекулами має бути надпровідним; більше того - в цей стан він повинен переходити при не дуже низькій температурі, можливо, близької до кімнатної. Схематична модель органічного надпровідника зображена на рис.
Мал. 13
Провідники, вільні від будь-яких енергетичних втрат за цілком звичайних умов, звичайно ж, зробили б революцію в електротехніці. Ідея американського фізика була підхоплена у багатьох лабораторіях різних країн. Однак досить швидко з'ясувалося, що придуманий Літллом полімер ніяк не міг перейти у надпровідний стан. Але ентузіазм, народжений сміливою ідеєю, дав свої плоди, нехай і не там, де вони передбачалися спочатку. Надпровідність була все-таки виявлена за межами світу металів. У 1980 році в Данії група дослідників під керівництвом К. Бекгарда, експериментуючи з органічною речовиною з класу іон-радикальних солей, перевела його в надпровідний стан при тиску 10 кілобар і температурі на 0,9 градуса вище за абсолютного нуля. 1983 року колектив радянських фізиків, очолюваний доктором фізико-математичних наук І.Ф. Щеголевим, добився від речовини того ж класу переходу в надпровідний стан вже за 7 градусів абсолютної шкали температур і за нормального тиску. У ході всіх цих пошуків і спроб увагою дослідників не було обійдено і карбін. (Карбін - органічна речовина, що дуже рідко зустрічається в природі. Структура якого - нескінченні лінійні ланцюжки з атомів вуглецю. Свою структуру зберігає при нагріванні до 2000 С, а потім, починаючи приблизно з 2300 С, вона перебудовується на кшталт кристалічної грати графіту. складає 1,92,2 г/см.
(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))
В основі теоретичної моделі високотемпературної надпровідності, розробленої академіком В.Л.Гінзбургом, лежить так званий екситонний механізм взаємодії електронів. Справа в тому, що в електронній системі існують спеціальні хвилі - ексітони. Подібно до фононів вони є квазічастинками, що переміщаються по кристалу і не пов'язані з перенесенням електричного заряду і маси. Модельний зразок такого надпровідника є металевою плівкою в шарах діелектрика або напівпровідника. Електрони провідності, що рухаються в металі, відштовхують електрони діелектрика, тобто оточують себе хмарою надмірного позитивного заряду, який призводить до утворення електронної пари. Такий механізм кореляції електронів передбачає дуже високі значення критичної температури (Т c =200 К).
Наприкінці 1986 р. було опубліковано повідомлення К. Мюллера та Дж. Беднореца зі Швейцарії про відкриття надпровідності кераміки лантан - барій - мідь - кисень при температурі, що перевищує 30 0 К. Незабаром прийшли повідомлення з Японії та США про надпровідність кераміки лантан - мідь - кисень при температурах 40-50 0 К. У СРСР у лабораторії А. Головашкіна у Фізичному інституті АН СРСР було виявлено, що в кераміці на основі ітрію надпровідність починається при температурі 120 0 К. В даний час ведуться інтенсивні пошуки надпровідників більш високими (можливо навіть кімнатними), які призвели до відкриття великого класу матеріалів, які у надпровідний стан при азотних температурах. Дуже перспективні щодо цього полімерні надпровідники.
Поряд з пошуком надпровідних матеріалів з підвищеною Т к, заснованих на ефекті спарювання електронів провідності через позитивно заряджені іони грати, в лабораторіях всього світу ведуться інтенсивні пошуки інших механізмів взаємодії електронів, здатних призвести до більш ефективного їх тяжіння, а отже, до отримання значно вищою температурою переходу Т к.
1) У 1957 році створено універсальну теорію БКШ, яка дала принципове пояснення явищу надпровідності.
2) Електронну систему у надпровіднику можна уявити як що складається із зв'язаних пар електронів (куперовских пар), а збудження, як розрив пари.
3) Електронна система, що знаходиться в надпровідному стані, відокремлена від основної енергетичної щілиною ширини Е св.
4) У точці переходу в надпровідний стан теплоємність змінюється стрибком.
5) На основі теорії надпровідності було відкрито явище, яке названо ефектом Джозефсона. Він полягає в протіканні надпровідного струму через тонкий шар діелектрика, що розділяє два надпровідники. Розрізняють два ефекти Джозефсона – стаціонарний та нестаціонарний.
6) Магнітний потік у надпровіднику квантується і може приймати лише низку дискретних значень.
7) Проміжний стан надпровідників I роду залежить від форми зразка, його розташування у зовнішньому магнітному полі і виникає далеко не завжди. Змішаний стан надпровідників II роду є внутрішньою властивістю і виникає в зразках будь-якої форми, як тільки магнітне поле досягає критичного значення.
Американські фізики розібралися з поведінкою електронів у так званій псевдощілинній фазі речовини, що передує стану надпровідності.
Надпровідністю називають повне зникнення електричного опору речовини постійному електричному струму за температури нижче критичної. Величезна практична цінність надпровідників полягає у відсутності в них втрат електричної енергії при перебігу струму. Але на шляху їхнього широкого використання дуже низька величина критичної температури. Для більшості речовин вона близька до абсолютного нуля. До 1986 року найвищою температурою мав сплав Nb 3 Ge, для якого надпровідність наступала при температурі нижче 23 К (-250 °). Тому виникло важливе наукове завдання: знайти речовини, що переходять у надпровідний стан за більш високої температури, бажано близької до кімнатної, що отримало назву високотемпературної надпровідності.
У 1986 році були відкриті високотемпературні надпровідники (ВТСП) на базі оксидів міді (купратів), і протягом декількох років критична температура піднялася до приблизно 120 К. Однак ці речовини мають дуже складну електронну структуру, що надзвичайно ускладнює розуміння того, як у них відбувається перехід до надпровідного стану, без чого неможливе розробка надпровідників, що працюють при більш високих температурах. З того часу вже майже 30 років проводяться складні експерименти з вивчення цього питання.
Зокрема, було виявлено, що стан надпровідності у ВТСП передує стан, названий «псевдощілинною фазою». Цей термін пов'язані з особливістю енергетичного спектра електронів у речовині (так називається дискретний набір дозволених рівнів енергії електронів у атомі). Електрони з низькими значеннями енергії розташовані у валентній зоні, електрони з більшою енергією, здатні переміщатися речовиною, — у зоні провідності. У напівпровідниках та діелектриках валентну зону та зону провідності поділяє інтервал заборонених значень енергії, званий «щілина». Щоб брати участь у створенні струму, електрон повинен отримати енергію, щоб перескочити через щілину з валентної зони до зони провідності. Тому, що більше ширина щілини, то сильніше ізолюючі властивості матеріалу.
Щілина утворюється і в надпровідників, але в неї інша природа. У разі надпровідності електрони, близькі до рівня Ферми, утворюють звані куперовские пари і осідають лише на рівні Фермі, і це рівень починає відокремлювати щілину від рівнів одиночних електронів. Рівень ферми визначається критичною температурою.
Виявилося, що у ВТСП при температурах вище критичних існує стан із меншою кількістю носіїв заряду поблизу рівня Фермі, ніж у звичайному провіднику. Це явище отримало назву «псевдощілину». Цей стан незрозумілої природи викликав багато запитань у фізиків. Оскільки стан псевдощели передує і частково існує разом із надпровідністю (конкурує з нею), вчені вважають, що дослідження цього стану допоможе розкрити таємниці ВТСП. В останні роки цьому питанню присвячено багато робіт, одна з яких опублікована днями у журналі «Science» .
Фізики з Брукхейвенської національної лабораторії та Корнельського університету, використовуючи розроблений ними унікальний високоточний тунельний мікроскоп, що сканує, зуміли простежити деталі перетворення купрата з діелектрика в надпровідник, через стадію псевдощілини. Їх експериментальна установка дозволяла визначати просторове розташування та напрямок руху електронів у матеріалі, завдяки чому вдалося виявити два нових явища.
У вихідному стані досліджуваний купрат Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ являє собою ізолятор. Щоб перетворити його на ВТСП, до нього як джерело носіїв заряду (дірок) хімічно додавали атоми кисню. Такий процес називається допування, додаткові атоми позначені у формулі як + δ. Фізики систематично протягом тривалого часу сканували матеріал при різних рівнях допування, щоб простежити, як змінюється поведінка та розташування електронів при еволюції матеріалу в надпровідний стан.
При підвищенні кількості носіїв заряду (рівня допування) матеріал переходив зі стану діелектрика псевдощілинну фазу. За низької щільності носіїв заряду спостерігалася досить статична картина. Виникало екзотичне періодичне статичне розташування деяких електронів, що отримало назву "хвилі щільності" або "смуги". Ці хвилі схожі на смужки "заморожених" електронів. Хвилі густини, як і рух електронів, обмежені певними напрямками. При подальшому збільшенні числа зарядів вчені виявили, що хвилі щільності зникають, а електрони в матеріалі знаходять здатність вільно рухатися у будь-якому напрямку. Причому це відбувається при тому рівні допування, що й виникнення чистої надпровідності.
«Вперше експеримент безпосередньо пов'язав зникнення хвиль щільності та пов'язаних з ними нанорозмірних дефектів кристалічної решітки з появою електронів, що йдуть вільно у всіх напрямках, необхідних для необмеженої надпровідності, – сказав провідний автор Сімус Девіс (Séamus Davis). - Ці нові виміри нарешті показали нам, чому в таємничому псевдощілинному стані цього матеріалу електрони переміщуються менш вільно».
Девіс порівнює спостереження з польотом над замерзлою річкою, де можна побачити статичні фрагменти, утворені льодом, і в той же час виявити течію рідкої води. Ці польоти здійснюються знову і знову протягом весни, коли заморожений водний шлях поступово тане. У купрат замість підвищення температури вчені підвищували рівень допування, щоб «топити» хвилі щільності в певній критичній точці.
Це відкриття підтверджує давню ідею, що саме хвилі щільності обмежують потік електронів та погіршують максимальну надпровідність у псевдощілинній фазі. "Статичне розташування електронів і пов'язані нанорозмірні флуктуації порушують вільний потік електронів - як лід на річці погіршує потік рідкої води", - говорить Девіс.
Практичне використання надпровідників тривалий час стримувалося одним із трьох основних факторів: низькими температурами надпровідного переходу, існуванням критичного магнітного поля та критичного струму.
Якщо в кріоелектроніці ВТСП успішно застосовувалися вже в 1987 р (магнітні екрани, різні тонкоплівкові приймачі НВЧ-випромінювання, що працюють при 77 К), використання ВТСП в енергетиці - справа найближчого дня. У 1999 р. на 3-й Міжнародній конференції з фізико-технічних проблем електротехнічних матеріалів і компонентів (Москва, Клязьма, Росія, автори: А.Д.Нікулін, А.К.Широков, А.Б. Воробйова) повідомлялося, що в внаслідок комплексу проведених досліджень та розробок у ВНІІНМ створено основи процесу створення одножильних та багатожильних провідників на основі вісмутової системи ( Bi -2212 та Bi -2223), а також масивних виробів на основі ВТСП кераміки Y - Ba - Cu - O . Випускаються композиційні ВТСП із довжиною одиничного шматка до 250 м, з критичним струмом до 45 А (77 К, Тл). Досягнутий рівень конструктивної густини струму на таких провідниках- до 6 кА/см 2 (77 К, 0 Тс) дозволив розпочати виготовлення виробів кріогенної електротехніки.
У співпраці з МАІ, РНЗ «Курчатовський Інститут», ІФВЕ, НДІ Електромашин виготовлено та успішно випробувано перші зразки кріодвигунів, струмівводів, магнітних котушок на основі ВТСП провідників.
Для застосування в електронній техніці багатьма науковими групами ведуться роботи з використання ВТСП тонких плівок, які отримують різні методи. Наприклад, вивчаються підходи до розрахунку та виготовлення фільтрів з квазізосередженими та зосередженими параметрами та малими габаритами на частотах 500–2000 МГц, ВТСП матеріали з температурним коефіцієнтом опору близьким до нуля для виготовлення прецизійних низькотемпературних резисторів та ін.
Перспективи застосування надпровідників досить чітко були відображені у статті "Нові надпровідники: перспективи застосування" Алана М. Вольські та ін. У журналі Scientific American, квітень 4, 1989 найцікавіші з яких і наведемо нижче (рисунок 10.18).
Мал. 10.18. Області застосування надпровідників
Надпровідні магніти. За допомогою звичайного електромагніту, що є котушкою з мідного дроту, розміщеної на залізному сердечнику, можна створювати поля до 2 Тл, причому мідні дроти витримують щільність струму до 400 А/см 2 .
Надпровідники дозволяють відмовитися від залізного сердечника за рахунок збільшення густини струму до 100000 А/см 2 . Такі щільності струму дозволяють отримувати сплави з ніобію-3 та олова та ніобію з титаном при температурі рідкого гелію (4 К).
Об'ємні зразки ітрій-барій-оксид міді витримують щільність струму до 4000А/см 2 при температурі рідкого азоту (77 К) у полі 1 Тл. За відсутності магнітного поля щільність струму може досягати 17000 А/см 2 .
Генератори та лінії електропередач. Надпровідні магніти можуть підвищити ККД генераторів великої потужності до 99.5%, хоча у звичайних генераторів він досягає 98.6%. Щорічна економія палива становитиме 1%. Економічно рентабельними надпровідникові лінії електропередач можуть стати тільки при передачі великої кількості енергії.
Акумулювання електроенергії. Надпровідні накопичувачі енергії з охолодженням рідким азотом коштували б на 3% дешевше, ніж звичайні, а загальні капітальні витрати зменшуються ще на 5%.
Поїзди на магнітній подушці – найперспективніше застосування надпровідників для швидкісних поїздів. Вартість спорудження колії довжиною 500 км обійдеться в 1.5 – 4.5 млрд дол.
Наднизькі температури до 10 -6 До досягнуті в магнітних холодильниках при використанні магнітоелектричного ефекту. Такі системи важливі для космічних та оборонних програм.
Комп'ютери та надпровідники. У майбутньому може бути створений суперкомп'ютер на ВТСП з швидкодією в 1000 разів більше, ніж у комп'ютерів, які зараз проектуються. Час перемикання на переходах Джозефсона (два надпровідники, розділених тонким шаром діелектрика) складе не більше 10 -13 с Т кр=10К і 10 -14 с для матеріалу з Т кр=100К.
У 1962 г . Б. Джозефсон теоретично передбачив ефект слабкої надпровідності, який є підтвердженням того, що надпровідність – квантове явище. Ефекти Джозефсона, як і ефект квантування магнітного потоку, показують, що між носіями надпровідного струму – куперівськими парами існує узгоджена когерентна поведінка та жорстка фазова кореляція. Джозефсоном було показано, що при тунельних експериментах з плівковими структурами надпровідник-діелектрик-надпровідник слід очікувати просочування куперівських пар через шар діелектрика товщиною 10-20 А. Тунельний струм можна спостерігати і при контакті нормального металу та надпровідника, розділених тонким непровідним.
Розрізняють стаціонарний та нестаціонарний ефекти Джозефсона. При стаціонарному ефектібез електричного поля надпровідний струм протікає через діелектрик, якщо його товщина порядку одного-двох нанометрів. Це означає, що куперівські пари тунелюють з одного електрода в інший, не викликаючи падіння напруги. Проходження тунельного струму в такому режимі відбуватиметься доти, доки його щільність не перевищить деякої критичної величини, яка є характеристикою тунельного контакту. Будь-яке магнітне поле впливає на цей надпровідний струм і перетворює його в нуль, коли повний магнітний потік у діелектричному зазорі буде дорівнювати цілій кількості квантів потоку F 0 . Джозефсонівський струм залежить від магнітного поля згідно з виразом
|
|
(10. 2 9) |
де I-Струм, що залежить від властивостей контакту і не залежить від поля, Ф 0 - Повний магнітний потік в тунельному контакті.
Нестаціонарний ефект Джозефсона полягає в тому, що коли щільність постійного тунельного струму перевищить критичне значення, то на контакті, крім постійної складової електричної напругиV, з'являється ще й високочастотний змінний струм із кутовою частотою w , причому
|
(10.30) |
При напрузі на контакті 1 мВ частота змінного джозефсонівського струму дорівнює 4,85· 10 - 1 с - 1 що відповідає електромагнітному випромінюванню з довжиною хвилі 600 мкм. Експерименти Джозефсона з класичними надпровідниками показали, що електрони зв'язуються в куперівські пари і заповнюють один квантовий стан. Ефекти Джозефсона знаходять застосування у приладобудуванні. На їх основі створено квантові інтерференційні магнітометри- СКВІДи (скорочення за першими буквами англійської назви), що використовуються для вимірювання слабких магнітних полів до10 - 15 Т як приймачі НВЧ випромінювання та ряду інших приладів мікроелектроніки та надпровідної кріоелектроніки. Створено СКВІДи на основі ВТСП кераміки, що працюють при 77 К. Перспективне використання ефектів джозефсонівських переходів для виробів надпровідних ЕОМ нового покоління та інших електронних пристроїв СКВІДи (надпровідний квантовий ітерференційний детектор). За допомогою СКВІД можна вимірювати падіння напруги до 10 -18 В, струми 10 -18 А (кілька електронів в секунду) і магнітні поля менші 10 -14 Тл. Аналогів такої чутливості немає. Нові надпровідники дозволяють регулювати частоти до 1012 Гц (близько до квантової межі). Чутливість звичайних приладів вбирається у 10 10 Гц. Застосування СКВІДів – магнітоенцефалографія, елементи пам'яті. СКВІД використовуються фізиками для дослідження кварків, магнітних монополів, гравітонів, геологами для пошуків нафти, води, мінералів, розробляються детектори для виявлення підводних човнів.
Явище високотемпературної надпровідності (ВТСП) нещодавно цікавило лише вчених. Проте сьогодні ринку електроенергетичного устаткування виходять комерційно прибуткові продукти з урахуванням ВТСП, зокрема російського виробництва. ВТСП може зробити прорив у технологіях передачі електроенергії.
Зовсім не гаряча ВТСП
На початку ХХ століття було відкрито, що ряду металів і сплавів властива надпровідність, тобто здатність володіти нульовим опором, при температурі, близької до абсолютного нуля (близько -270 ° С). Довгий час надпровідники можна було використовувати лише за температури рідкого гелію, що дозволило створити прискорювальне обладнання та магнітно-резонанснітомографи.
У 1986 р. відкрили надпровідність за нормальної температури близько 30К, що було удостоєно Нобелівської премії, а початку 1990-х гг. вдалося досягти надпровідності вже при 138К, причому як надпровідник використовувалися вже не метали, а оксидні сполуки.
Керамічні матеріали, що мають нульовий опір при температурі вище температури рідкого азоту (77К) отримали назву високотемпературних надпровідників (ВТСП). Однак якщо ми переведемо Кельвіни в більш звичні для нас градуси Цельсія, то зрозуміємо, що йдеться про не надто високі температури, скажімо, мінус 169–200°С. Такі умови навіть сувора російська зима забезпечити неспроможна.
Уми дослідників розбурхує ідея знайти матеріали, здатні переходити у надпровіднестан за кімнатної температури (293К). Теоретично така можливість існує. За деякими даними, надпровідні властивості нібито вдавалося зафіксувати навіть у окремих зерен графіту після спеціальної обробки. На сьогоднішній день пошук «кімнатно-температурних» надпровідників (КТСП) вважається одним із ключових дослідницьких завдань у галузі нанотехнологій. Однак поки що не лише практичне застосування, а й надійне експериментальне підтвердження КТСП залишається питанням завтрашнього дня. Сьогоднішня електроенергетика опановує використання ВТСП.
Обладнання на основі високотемпературної надпровідності потребує охолодження рідким азотом. Як зазначають експерти галузі, це відносно дешевий та зручний холодоагент, що забезпечує температуру 77К і дозволяє реалізовувати практичні проекти.
Користь надпровідності
Надпровідність може використовуватися (і вже використовується) у різних сферах. Вперше вона була застосована для створення магнітів з високими полями. За допомогою надпровідників може бути забезпечена магнітна левітація, що дозволяє високошвидкісним поїздам рухатися плавно, без шуму та тертя. Створюються ВТСП електродвигуни для судента промисловості,
які мають істотно менші масогабаритні параметри при рівній потужності. Надпровідність цікава з погляду мікроелектроніки та комп'ютерної техніки. Низькотемпературні надпровідники застосовують у медичних діагностичних апаратах (томографах), і навіть у таких екзотичних проектах «меганауки», як великий адронний колайдер і міжнародний термоядерний реактор. З високотемпературною надпровідністю пов'язані надії на подолання глобальної енергетичної дилеми, пов'язаної, з одного боку, з постійним зростанням енергоспоживання у сьогоденні та майбутньому, а з іншого боку,з необхідністю радикально скорочувати викиди вуглекислого газу, щоб запобігти змінам клімату. Адже, по суті, ВТСП виводить звичне обладнання для генерації та передачі електроенергії.на принципово
Одне з очевидних застосувань надпровідників пов'язані з передачею електроенергії. ВТСП кабелі можуть передавати значну потужність при мінімальному перерізі, тобто мають пропускну здатність іншого порядку, ніж традиційні кабелі. При проходженні струму через надпровідник не виділяється тепло, і практично немає втрат, тобто вирішується головна проблема розподільчих мереж.
Генератори завдяки обмоткам з надпровіднихматеріалів, що забезпечують величезні магнітні поля, стають значно сильнішими. Наприклад, концерн Siemens побудував три ВТСП генератори потужністю до 4 МВт.
Машина вдвічі легша і менша в порівнянні зі звичайним генератором тієї ж потужності. Також, ВТСП генератор показав більшу стійкість по напрузі при зміні навантаження та більш високі характеристики з точки зору споживання реактивної потужності. Сьогодні у світі активно ведуться розробки вітрогенераторів на основі високотемпературної надпровідності.При використанні
ВТСП обмоток реально створення ВТСП генераторів потужністю 10 МВт, які будуть у 2-4 рази легшими за звичайні.
Перспективна сфера для широкого застосування надпровідників – накопичувачі енергії, роль яких також велика з погляду розвитку сучасних енергосистем, що використовують відновлювані джерела енергії. Навіть звичне електрообладнання, таке як трансформатори, набуває якісно нових характеристик завдяки ВТСП. Надпровідність дозволяє створювати такі незвичайні пристрої як обмежувачі струму короткого замикання, що повністю автоматично обмежують струм при замиканні.і автоматично ж
що включаються при знятті КЗ.
Стрічка другого покоління Що ж із цих перспективних ідей вже вдалося втілити на практиці, і чиїми зусиллями? Насамперед слід зазначити, що на сьогоднішній день на ринку представлені високотемпературні надпровідники першого та другого покоління (ВТСП-1 та ВТСП-2).За обсягом випущеної на сьогоднішній день продукції поки що виграють ВТСП-1, але для експертів очевидно, що майбутнє
Одна з ключових російських компаній, що працюють над темою надпровідників другого покоління, – ЗАТ «СуперОкс».
Зародилася вона у стінах МДУ імені Ломоносова, де наукова група хімічного факультету працювала над технологією осадження тонких плівок надпровідників. У 2006 р. на базі накопичених знань було запущено комерційний проект із створення вітчизняного виробництва ВТСП-проводів 2-го покоління.
У 2011 р. сферу інтересів «СуперОкс» було розширено за рахунок тісної взаємодії з новоствореною компанією SuperOx Japan LLC. Було створено пілотну виробничу лінію, що дозволяє виробляти ВТСП-провід з критичним струмом до 500 А/см ширини. З 2011 р. компанія «СуперОкс-Інновації» також є резидентом «Сколково», де проводить прикладні дослідження, спрямовані на оптимізацію технічних характеристик ВТСП стрічок другого покоління, розробляє різні технології виробництва цих матеріалів. У 2013 році було запущено виробництво стрічки ВТСП-2 у московському технопарку «Слава». «Наш продукт, надпровідна стрічка другого покоління є підкладкою із спеціальної нержавіючої сталі, стійкою до високих температур, яка згодом при нанесенні тонких плівок не втрачає своїх механічних властивостей, - розповідає Вадим Амелічов, провідний спеціаліст ЗАТ «СуперОкс».- Спеціальними методами на цю підкладку наносяться буферні оксидні шари, а як функціональний шар - плівка купрату гадолінію-барію. Потім ця структура покривається тонкими шарами срібла або міді, і у такому вигляді використовується
у надпровідникових
пристроях. У такого матеріалу при товщині плівки всього в один-два мікрони струмопровідна здатність близько 500 А на 1 мм перерізу, тобто в сотні разів більше, ніж у звичайного мідного кабелю. Відповідно, така стрічка ідеальна для застосування, де потрібен високий струм. Кабелі на великі струми, магніти на великі поля – основна сфера застосування».«СуперОкс» має повний цикл виробництва стрічки ВТСП-2. У 2012 р. стартував продаж цього інноваційного продукту, і зараз матеріал поставляється не тільки до Росії, але
«У світі не так багато виробників стрічки ВТСП-2, – пояснює Вадим Амелічов. - Є дві американські фірми, компанії у Південній Кореї та Японії. У Європі, крім нас, ніхто в промислових масштабах таку стрічку не виробляє.
Нашу стрічку тестували у багатьох дослідницьких центрах та підтвердили конкурентоспроможність
її характеристик». Розвинути нову індустрію«Незважаючи на те, що високотемпературна надпровідність постала зовсім недавно, питаннями її застосування в техніці інтенсивно займаються. у технологічнорозвинених країн світу, - розповідає Віктор Панцирний, д.т.н., дійсний член АЕН РФ, директор з розвитку АТ «Російський надпровідник», - У нашій країні в рамках Комісії при Президентові РФ з модернізації
та технологічному розвитку економіки Росії ініційовано проект «Надпровідникова індустрія» як частина проекту «Інноваційна енергетика» за пріоритетним напрямом «Енергоефективність».Даний проект у галузі надпровідникової індустрії координує компанія "Російський надпровідник", створена Держкорпорацією "Росатом". За п'ятирічку з 2011 до 2015 р. тут планують створити конкурентоспроможні технології виробництва високотемпературних надпровідників другого покоління, дослідне виробництво довгомірних (до 1000 м) стрічкових проводів ВТСП-2, а також розробити прототипи обладнання на основі ВТСП-2 проводів для електроенергетики.
Це і генератори великої потужності і обмежувачі струму (СОТ), і кінетичні накопичувачі енергії (КНЕ), а також потужні струмовводи для магнітних систем, індуктивні накопичувачі енергії (СПІН), трансформатори, електродвигуни великої потужності.З 2016 р. планується запустити серійне виробництво ВТСП-2 проводів та ряду пристроїв на їх основі.
«Структурно проект складається з дев'яти завдань, які виконуються паралельно, – пояснює Віктор Панцерний. – З 2011 по 2013 рр.
вдалося створити перші вітчизняні діючі макети надпровідникових машин - двигун і генератор потужністю 50 кВт, кінетичний накопичувач енергії на 0,5 МДж, надпровідниковий обмежувач струмів короткого замикання потужністю 3,5 МВт для енергетичних мереж напругою 3,5 кВ, надпровідник струмівводи для магнітних систем, що пропускають струм 1500А.
Також створено основи технології повністю вітчизняного виробництва стрічкових проводів ВТСП-2, починаючи від сировинних матеріалів до методів контролю готової продукції. Було знайдено основні технологічні рішення, що дозволили перейти до створення повномасштабних прототипів енергетичних пристроїв. Так зараз завершується робота зі створення двигуна потужністю 200 кВт». Завдяки застосуванню ВТСП-2 обмоток такий двигун при його установціна електромобіль
(Електробус) дозволить збільшити пробіг на 15-20% між підзарядками акумуляторних батарей. Виготовлений та готується до випробувань у мережі залізничного транспорту надпровідний обмежувач струмів короткого замикання потужністю понад 7 МВА. Завершується виготовлення генератора потужністю 1 МВА, перспективного застосування у вітряних енергетичних установках.На базі унікальних технологій Росатому створюється кінетичний накопичувач енергії
з надпровідниковим підвісом маховиків, що має енергоємність понад 7 МДж.Слід зазначити розробку індуктивного накопичувача енергії, здатного в гранично короткий час віддати акумульовану енергію до кількох МДж. На завершальній стадії знаходяться і роботи зі створення надпровідникового трансформатора потужністю вже 1000 кВА. «Крім того, найважливішими результатами проекту будуть створення потужної експериментальноїнадпровідникових технологій».
Кабелі змінного струму
Не можна не розповісти про російський проект зі створення надпровідного кабелю завдовжки 200 м. Над створенням кабелю працювали ВАТ «Енергетичнийінститут ім. Г.М. Кржижанівського»(ЕНІН), ВАТ «Всеросійськогонауково-дослідний інститут кабельної промисловості» (ВНДІКП), Московський авіаційний інститут та ВАТ «НТЦ електроенергетики». Розробка розпочалася у 2005 р., у 2009 р. було створено дослідний зразок, який успішно пройшов випробування на спеціально створеному унікальному полігоні.
Основні переваги ВТСП кабелю - високе струмове навантаження, малі втрати, екологічна чистота та пожежна безпека. Крім того, при передачі великої потужності таким кабелем при напрузі 10-20 кВ не потрібні проміжні підстанції.
ВТСП кабель є складною багатошаровою конструкцією. Центральний несучий елемент виконаний у вигляді спіралі з нержавіючої сталі, оточеної пучком проводів з міді та нержавіючої сталі, обмотаних мідною стрічкою. Поверх центрального елемента укладаються два повивки надпровідних стрічок, а зверху - високовольтна ізоляція. Потім слід накладення надпровідного екрану, повиви гнучких мідних стрічок, обмотаних стрічкою з нержавіючої сталі. Кожна жила кабелю затягується у свій гнучкий кріостат завдовжки 200 м.
Створення цієї багатокомпонентної конструкції ускладнюється тим, що ВТСП стрічка вкрай чутлива. Основна частина технологічних операцій проводилася на базі ВАТ «ВНДІКП».
Однак для виготовлення високовольтної ізоляції кабель звозили до м. Перм на завод «Камський кабель».
«Для ВТСП кабелю ми робили операцію накладання паперової ізоляції, – розповідає Олександр Азанов, заступник головного технолога ТОВ «Камський кабель». - Було задіяне унікальне обладнання, яке раніше використовувалося для виробництва маслонаповнених кабелів високої напруги. Саме тому не пошкодували ресурсів на доставку напівфабрикату з Москви до Пермі та назад. І, гадаю, що поки що для виробництва таких спеціальних кабелів доцільно задіяти унікальне обладнання, встановлене на різних заводах, ніж організовувати виробництво в одному місці.виробляється вкрай рідко та дуже малими довжинами (не більше 1 км).
Головна причина тому - вартість ВТСП кабелів та їх обслуговування (потрібно постійно прокачувати рідкий азот через кабель)».
Кабелі постійного струму На сьогоднішній день розробки в галузі створення ВТСП кабелів продовжуються. ВАТ «ФСК ЄЕС» та ВАТ «НТЦ ФСК ЄЕС» ведуть спільний НДДКР «Створення високотемпературної надпровідної кабельної лінії постійного струму на напругу 20 кВ із струмом 2500 А завдовжки до 2500 м».Перший прототип майбутньої інноваційної системи передачі енергії – два відрізки біполярного ВТСП кабелю по 30 м, розроблені в НТЦ ФСК ЄЕС та виготовлені на заводі «Іркутськкабель», – успішно пройшли струмові
та високовольтні випробування у 2013 р.У листопаді 2014 р. відбулися випробування комплекту перетворювального обладнання для інноваційної передачі електроенергії потужністю 50 МВт з використаннямнадпровідного кабелю завдовжки кілька сотень метрів. Застосування ВТСП кабелю для електропостачання великих міст дозволить досягти зменшення площ землевідведення, відмовитися
від будівництва
повітряних ліній та знизити втрати електроенергії.
У НТЦ ФСК ЄЕС зазначають, що кабельна лінія постійного струму на основі ВТСП має низку переваг у порівнянні з лінією змінного струму. Вона не тільки дозволяє передавати потужність з мінімальними втратами, а й обмежувати струми короткого замикання, регулювати реактивну потужність, керувати потоками потужності та забезпечувати її реверс.
«Приємно усвідомлювати, що російські розробники ВТСП кабелів знаходяться на передових рубежах, – каже Віталій Висоцький, д.т.н., академік АЕН РФ, директор наукового спрямування – зав. відділенням надпровідних проводів та кабелів ВАТ «ВНДІКП».
«Ринок надпровідності для електроенергетики повинен розвиватися, оскільки щільність споживання енергії постійно зростає і без надпровідності підтримувати запити, що ростуть, неможливо», - упевнений Віталій Висоцький. - Однак енергетики дуже консервативні по відношенню до всього нового, та ще і дорогого.Тому поки що головне завдання - все-таки просування нових проектів із підтримкою державних організацій. Це стане доказом надійності та ефективності надпровідних пристроїв. Поява нових проектів викличе попит на виробництво ВТСП стрічок, збільшення їх випуску та зниження ціни, що знову ж таки допоможе розвитку ринку».
«На цій стадії комплексне вирішення всіх поставлених завдань неможливе без всебічної допомоги держави, але з кожним роком підвищується інвестиційна привабливість ВТСП техніки, що дозволяє з високою впевненістю очікувати припливу приватних інвестицій у її подальший комерційний розвиток», - погоджується з колегою Віктор Панцерний.
Експертів тішить, що загалом на рівні держави є розуміння значущості надпровідникових технологій.
«Розвиток надпровідникової індустрії має загальнонаціональне значення і є важливою складовою переходу на інноваційнийшлях розвитку країни. Це було нещодавно констатовано на розширеному засіданні Консультативної Ради при голові Комітету Державної Думи з енергетики ФС РФ, де, зокрема, було зазначено, що для забезпечення економічної та політичної незалежності Росії стратегічно необхідно мати вітчизняне виробництво низько- та високотемпературнихнадпровідних матеріалів, надпровідникових пристроїв та виробів на їх основі», - повідомляє Віктор Панцирний.
Плани на майбутнє
Ми попросили експертів оцінити, які сфери застосування надпровідності, на їх погляд, є найбільш перспективними і де можна очікувати комерційного використання технології в найближчі роки.
«Як і в усьому світі, у Росії сьогодні найбільш просунуті проекти надпровідних кабелів. Вони мають і, сподіваємось, розвиватимуться, – розповідає Віталій Висоцький. - Надпровідні кабелі на основі ВТСП - вже зараз чисто комерційний продукт, щоправда, поки що досить дорогий. Він стане дешевшим, коли почнеться його широке впровадження і знадобиться значна кількість ВТСП стрічок, що й здешевить їхнє виробництво.
Проте, як на мене, найбільш необхідними та затребуванимидля електроенергетики є надпровідні обмежувачі струму КЗ на рівні напруги від 100 кВ та вище.
Звичайних пристроїв такого класу напруги просто не існує, і без надпровідності тут просто не обійтися.
Такі проекти вже обговорюються у нашій країні. Крім того, на мою думку, добрі перспективи мають ВТСП машини для вітрогенераторів. Вони обіцяють значне (у рази) зниження ваги одиничного генератора та збільшення одиничної потужності». «Сьогодні драйвер розвитку ринку надпровідникових виробів – електроенергетика (силові кабелі та обмежувачі струму), – вважає Андрій Вавілов. - Але й у низці інших галузей є значний потенціал. Наприклад, сьогодні розробляються варіанти застосування ВТСП проводу як ефективної заміни низькотемпературних надпровідників у прискорювальній техніці, що використовується для науки, виробництва ізотопів та медицини.У Росії є великі плани у цій галузі, зокрема, з будівництва сучасного колайдера NICA у Дубні.
Великий потенціал має створення ефективних машин, що обертаються, мають унікальні тягові характеристики, низьку масу і вагу.
Такі двигуни потрібні в першу чергу для забезпечення руху великих суден, а генератори можуть використовуватися у відновлюванійенергетики. Абсолютно нові перспективи сьогодні відкриває явище магнітної левітації. Це не лише транспортні системи, а й безконтактні маніпулятори, а також довговічні підшипники із широким спектром застосування».«Наступний розвиток високотемпературної надпровідності матиме виражений мультиплікативний ефект не тільки
в електроенергетиці,