Высокотемпературные сверхпроводники. Применения высокотемпературных сверхпроводников в энергетике. Влияние кристаллической решетки

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.

Сверхпроводимость представляет собой квантовое явление, проявляющееся в макроскопических масштабах. Сверхпроводимость возникает при охлаждении некоторых веществ до определенной для данного вещества критической температуры, при которой вещество скачкообразно переходит в особое сверхпроводящее состояние. Фундаментальной особенностью сверхпроводников является полное отсутствие электрического сопротивления.

Данное явление было открыто в 1911 году Х. Камерлинг-Оннесом. Сверхпроводимость можно наблюдать в следующем опыте. Металлическое кольцо помещается в магнитное поле В при температуре выше критической T c . Затем температура понижается до значений Т < T с. После этого поле В выключают. По закону электромагнитной индукции изменение магнитного поля вызывает в образце появление тока. Вследствие того, что в образце отсутствует сопротивление, ток может циркулировать бесконечно долго.

Если при температурах Т< T 0 увеличить индукцию В магнитного поля, то при некотором критическом значении В кр, которое называется критическим магнитным полем, сверхпроводящее состояние нарушается. Согласно современным представлениям сверхпроводящее и нормальное состояния представляет собой две фазы вещества, которые могут переходить друг в друга (рис.1).

Рис. 1.

Второе фундаментальное свойство сверхпроводников заключается в эффекте Мейснера, т.е. сверхпроводники становятся идеальными диамагнетиками и выталкивают внешнее магнитное поле. В отличие от них идеальные проводники с сопротивлением должны захватывать магнитный поток. На приведенном ниже рисунке 2 показано поведение сверхпроводящего шара и проводника с сопротивлением при различных температурах и внешних магнитных полях. На рис2. рассмотрены случаи:2а) Т>Т к, 2б) Т<Т к, внешнее магнитное поле не равно нулю 2в) Т<Т к, внешнее магнитное поле равно нулю

Рис.2

Эффект Мейснера связан с тем, что в приповерхностном слое, толщиной около 10 –6 см начинает циркулировать постоянный ток, сила которого такова, что созданное им поле компенсирует внешнее поле в толще сверхпроводника.

Различают сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники I рода переходят в нормальное состояние скачкообразно, а проводники второго рода переходят в нормальное состояние постепенно. На приведенном рисунке показана зависимость намагниченности М от индукции В внешнего магнитного поля. Начальные кривые от 0 до критического значения В с у сверхпроводников I и II рода одинаковы. Они соответствуют эффекту Мейснера. Сверхпроводники I рода (рис.а) при критическом значении магнитного поля скачкообразно переходят в нормальное состояние, при этом их намагниченность резко уменьшается.

Сверхпроводники II рода (рис.б) при критическом значении магнитного поля начинают плавно переходить в нормальное состояние, при этом их намагниченность уменьшается плавно.

До 80-х годов самая высокая критическая температура у сверхпроводников имела значение 23 К.

В 1986 году были открыты сверхпроводники с критическими температурами 35 К. Сейчас открыты материалы с критическими температурами 135 К. До этих открытий в качестве охлаждающего вещества применялся жидкий гелий (температура кипения при нормальном давлении 4,2 К). После открытия сверхпроводников с критическими температурами, превосходящими 77,3 К(температура кипения азота) стали применять в качестве охлаждающего вещества более дешевый и доступный азот. Соответственно о низкотемпературных сверхпроводниках стали говорить как о сверхпроводниках гелиевого уровня температур, а о высокотемпературные сверхпроводники назвали сверхпроводниками азотного уровня температур.

К пониманию природы низкотемпературной сверхпроводимости привели два экспериментальных факта.

1. Металлы, являющиеся при комнатных температурах хорошими проводниками (серебро, медь) не обладают свойством сверхпроводимости. Плохие проводники (ртуть) при низких температурах становятся сверхпроводниками. Хорошая проводимость серебра и меди указывает на слабое взаимодействие электронов с кристаллической решеткой. Наоборот, в ртути электроны взаимодействуют с решеткой более интенсивно.

2. Для большинства сверхпроводников выполняется соотношение , где М – масса атома изотопа. Явление получило название изотопический эффект. Это соотношение указывало на взаимодействие электронов с ионами кристаллической решетки.

Качественно явление низкотемпературной сверхпроводимости может быть описано следующим образом. Электрическое поле движущегося электрона воздействует на кристаллическую решетку, деформируя (поляризуя) её. При этом электрон оказывается в окружении положительного облака заряда узла кристаллической решетки. Если суммарный заряд области электрона и поляризованного иона окажется положительным, то эта область может притянуть другой электрон. При этом через взаимодействие с положительным узлом кристаллической решетки в пару объединяются электроны, имеющие противоположно ориентированные спины и импульсы. Такая пара называется куперовской парой по фамилии ученого Л. Купера, разработавшего эту теорию. Куперовская пара имеет спин, равный 0, она подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна. Поэтому при низких температурах превращение в куперовские пары носит массовый характер. Каждый электрон с импульсом может вступить во взаимодействие лишь с таким электроном, импульс которого равен . Состояния электронов в кристалле постоянно меняются, поэтому постоянно изменяются и наборы пар. Этот процесс обеспечивает связь между всеми куперовскими парами. Такую совокупность куперовских пар можно рассматривать как бозе-конденсат.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости стало неожиданностью для теоретической физики, т.к. теория низкотемпературной сверхпроводимости не давала высоких значений критических температур.

Среди высокотемпературных сверхпроводников особую группу составляют купраты – соединения со сложной слоистой структурой. Кристалл купрата можно образно сравнить с "сэндвичем" из различных элементов. В.Л. Гинзбургом была рассмотрена модель сверхпроводника, состоящего из металлической пленки, расположенной между слоями диэлектрика или полупроводника. Электроны этих слоев отталкиваются электронами металла, вследствие чего вокруг последних возникает облако положительного заряда, что способствует образованию куперовских пар. По оценкам В.Л. Гинзбурга такая модель допускает существование критических температур до 200 К.

К настоящему времени хорошо разработанной теории высокотемпературной сверхпроводимости не существует.

Сверхпроводники используются в различных устройствах и приборах. Из сверхпроводниковых изделий гелиевого уровня температур используются томографы, сепараторы и накопители энергии. Сверхпроводящие томографы обеспечивают более высокое качество диагностики внутренних органов, сепараторы применяются для обогащения руд, накопители обеспечивают запас энергии порядка нескольких киловатт-часов.

Замена жидкого гелия на азот в качестве охлаждающего вещества в сотни раз сокращает расходы на создание установок.

Замена обычных проводников на высокотемпературные сверхпроводники значительно уменьшает их вес, существенно увеличивает время эксплуатации. В настоящее время они применяются в системах спутниковой и сотовой связи, прецизионной аппаратуре, измеряющей ничтожно малые токи, изменения магнитных потоков.

В цифровой сверхпроводниковой электронике создаются устройства с большим числом элементов на одном чипе.

Между сверхпроводящим кольцом и магнитом возникает отталкивание. Это явление может применяться в моторах, гироскопах. Во многих странах разрабатываются проекты поездов на магнитной подушке. По сверхпроводнику монорельсу попускается электрический ток. В вагонах поезда размещаются сверхпроводящие магниты. Вагоны зависают над рельсом. Такой поезд развивает скорость, сравнимую со скоростью самолета.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

1. Введение

2. Явление сверхпроводимости

3. Высокотемпературные сверхпроводники

3.1 Определение

3.2 Структура

3.2.1 Основные семейства ВТСП

3.3 Температурная зависимость сопротивления R(T)

3.4 Свойства и эффекты которыми обладают высокотемпературные сверхпроводники

3.4.1 Эффект Мейснера

3.4.2 Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина - Купера - Шриффера (БКШ) и Боголюбова

3.4.3 Эффект Джозефсона

3.4.4 Влияние кристаллической решетки

3.4.5 Изотопический эффект

4. Методы получения высокотемпературных сверхпроводников

5. Перспективы высокотемпературных сверхпроводников

6. Заключение

7. Список литературы

Введение

Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 г открыли первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La2-xBaxCuO4, за это открытие в 1987 г. им была присуждена Нобелевская премия. Это открытие дало сильный рывок исследованиям в данной области и уже через семь лет рывок в 1000 с 300 К до 1300 К (1650 К под давлением). На данный момент рекордным значеним критической температуры Tc =135 K (под давлением Tc=165 K, -109 °C) обладает вещество HgBa2Ca2Cu3O8+x, открытое в 1993 г. С. Н. Путилиным и Е. В. Антиповым. Но ученым так и не удалось открыть новые сверхпроводники с температурой сверхпроводимости выше 1650 К.

Явление сверхпроводимости

Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто нидерландским физиком Х.Камерлинг-Оннесом в 1911 году, а удовлетворительное объяснение, отмеченное именами американских физиков Л.Купера, Дж.Бардина,Дж.Шриффера, советского математика и физика Н.Н.Боголюбова, получило практическое использование этого явления в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений - настолько трудна была проблема.

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К - высокотемпературные сверхпроводники.)Синтезом всё новых и новых материалов уже удалось поднять сверхпроводимость до 160 К(почти -100 °C.В составе всех этих высокотемпературных сверхпроводников ВТСП обязательно присутствуют ионы меди СuO(роль их в возникновении сверхпроводимости пока не ясна), которые служат как бы микроскопическими магнитами. Сверхпроводимость материалов с Тк 23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, с противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки - фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами. У сверхпроводимости три врага: высокие температуры, мощные магнитные поля и большие токи. Если их величины превысят предельные значения, называемые критическими, сверхпроводимость исчезает, сверхпроводник становится обычным проводником. По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряженность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Нк. У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля Нк2 > Н > Нк1, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.Нк1 - нижнее критическое поле, Нк2 - верхнее критическое поле. Н < Нк1 - индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2 - сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой: Ik (критический ток). Объясняется это тем, что поле, создаваемая током индукция, превысит Нк1, вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.

Высокотемпературные сверхпроводники

3.1 Определение

Высокотемпературные сверхпроводники — семейство материалов (сверхпроводящих керамик) с общей структурной особенностью, которую можно охарактеризовать относительно хорошо выделенными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. Нормальное (и сверхпроводящее) состояния обнаруживают много общих особенностей для купратов с различными составами; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Хотя единой и последовательной теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, данная проблема привела к появлению многих важных экспериментальных и теоретических результатов, и интерес к этой области сосредоточен не только на достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 была немедленно присуждена Нобелевская премия.

Первооткрывателями ВТСП были выработаны четыре критерия для определения существования сверхпроводимости: (1) наличие нулевого удельного сопротивления, (2) выраженный эффект Мейсснера, (3) высокая воспроизводимость результатов и (4) высокая устойчивость эффекта.

3.2 Структура

Все основные ВТСП-системы имеют слоистую структуру. На рис. 1 приведена для примера структура элементарной ячейки ВТСП-соединения YBa2Cu3O7. Обращает на себя внимание очень большая величина параметра решетки в направлении оси «с». Для YBa2Cu3O7 с=11.7Å.

Наблюдается значительная анизотропия многих свойств таких соединений. Как правило соединения с большими n - металлы (хотя и плохие) в плоскости «ab», и обнаруживают полупроводниковое поведение в третьем направлении, вдоль оси «с». Но при этом они являются сверхпроводниками.

3.3 Температурная зависимость сопротивления R(T)

Во многих купратных ВТСП R(T) зависит практически линейно от температуры. Пример для YBa2Cu3O7 приведен на рис. 4. Это сопротивление изменено в плоскости “ab”. Удивительно, что в чистых образцах экстраполяция этой зависимости в область низких температур ведет себя так, как будто остаточное сопротивление совершенно отсутствует. В ряде других ВТСП, с меньшими Тc, где удается подавить сверхпроводимость магнитным полем, зависимость R(T) линейна вплоть до очень низких температур. Такая линейная зависимость наблюдается в очень широкой области температур: от ~10-3 до 600К (при более высоких температурах уже начинает меняться концентрация кислорода). Это совершенно необычное поведение для металла. Для объяснения привлекались раздичные модели (нефононный механизм рассеяния носителей, изменение концентрации электронов с Т и др.). Однако эта проблема еще не разрешена до конца.

На рис. 5 показана температурная зависимость сопротивления для ВТСП-соединения YBa2Cu3O7 вдоль оси «с». Ход полупроводниковый, а наблюдаемая величина сопротивления приблизительно в 1000 раз больше.

3.4 Свойства и эффекты которыми обладают высокотемпературные сверхпроводники

3.4.1 Эффект Мейснера.

Эффекта Мейнера заключается в том что сверхпроводник, охлажденный ниже критической температуры в постоянном магнитном поле, самопроизвольно выталкивает это поле из своего объема, переходя в состояние, при котором магнитная индукция В=0, т.е. состояние идеального диамагнетизма.

3.4.2 Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина - Купера - Шриффера (БКШ) и Боголюбова.

Сверхпроводимость, как оказалось, проявляется в тех случаях, когда электроны в металле группируются в пары, взаимодействующие через кристаллическую решетку. Эта пара тесно связана между собой, так что разорвать ее и разобщить электроны через мощные связи невозможно это позволяют электронам двигаться без всякого сопротивления сквозь решетку кристалла.

3.4.3 Эффект Джозефсона.

Если туннельный контакт двух сверхпроводников включить во внешнюю цепь с источником тока и устанавливается такой, чтобы удовлетворить соотношению I= I0sin, где  - разность фаз, по обе стороны заряда в некоторой его точке, а I0 - максимальный туннельный ток, пропорциональный площади туннельного перехода и прозрачность барьера. Но обратим внимание на то, что в это выражение для тока никак не входит напряжение на контакте. При нулевой разности через туннельный контакт, образованный двумя сверхпроводниками разделенных слоем диэлектрика, может проникать постоянный ток. Это явление называют стационарным явлением Джозефсона.

3.4.4 Влияние кристаллической решетки

Сверхпроводящий переход почти не влияет на решетку. Но вот кристаллическая решетка на сверхпроводимость влияет, более того определяет сверхпроводимость, причем исключение из этого закона не обнаружено. Существует много видов кристаллической решетки. Часто одно и то же вещество может иметь разную кристаллическую решетку, то есть одни и те же атомы могут быть расположены друг относительно друга по разному. Переход от одного типа решетки к другому происходит при изменении либо температуры, либо давление, либо ещё какого-нибудь параметра. Такой переход, как и возникновение сверхпроводимости и плавление является фазовым.

Влияние кристаллической решетки на сверхпроводимость продемонстрировал открытый в 1950г. изотопичесский - эффект.

При замене одного изотопа на другой вид кристаллической решетки не меняется, «электронная жидкость» вообще не затрагивается меняется только сила атомов. Оказалось, что от массы атомов зависит Тс многих сверхпроводников. Чем меньше сила, тем больше Тс. Более того вид этой зависимости позволили утверждать, что Тс пропорциональна частоте колебаний атомов решетки, а это сыграло существенную роль в понимании механизма сверхпроводимости.

3.4.5 Изотопический эффект.

В 1905г.был открыт ток называемый изотопическим эффектом. Изучая сверхпроводимость у различных изотопов ртути и олова, физики обратили внимание на то обстоятельство что критическая температура Тк перехода в сверхпроводящее состояния и масса изотопа М связана соотношением Тk М1\2 = const.

Изотопы - это атомы одного и того же элемента, в ядрах которых содержаться одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Они имеют одинаковый заряд, но разную массу. Масса изотопа является характеристической решетки кристалла и может влиять на её свойства. От массы зависит, например, частота колебаний в решетки. Она, так же как и критическая температура, обратно пропорциональна массе: М-1\2. Значит, если массу М устремить к бесконечности, то температура перехода Тк будет стремиться к нулю, то есть чем тяжелее атомы, тем медленнее они колеблются и тем труднее (при меньших температурах) получается идеальная проводимость, а чем выше энергия нулевых колебаний, тем легче.

Таким образом, изотопический эффект указывая на то что колебания решетки участвуют в создании сверхпроводимости! Сверхпроводимость, которая является свойством электронной системы металла, оказывается связанной с состоянием кристаллической решетки. Следовательно, возникновение эффекта сверхпроводимости, обусловлено взаимодействием электронов с решеткой кристалла.

4 Методы получения высокотемпературных сверхпроводников

Методы получения образцов высокотемпературных сверхпроводников определяются в первую очередь теми задачами, которые ставят перед собой исследователи и фирмы использующие ВТСП материалы в коммерческих целях. Так для изготовления массивных изделий из ВТСП материалов требуется разработка методов получения больших количеств ВТСП материала в поликристаллическом состоянии. Для целей СВЧ электроники требуется разработка методов получения эпитаксиальных пленок с высокими критическими параметрами. Для фундаментальных исследований природы ВТСП безусловно необходимы методы получения совершенных (а в случае системы YBa2Cu3O7-δ и бездвойниковых) монокристаллов ВТСП.

Большое значение для получения ВТСП-образцов с высокими критическими свойствами имеет изготовление качественных прекурсорных порошков. Среди методов получения таких порошков соединения YBa2Cu3O7-δ (далее YBCO) назовем следующие: стандартная реакция твердых фаз и химическое осаждение, плазменный спрэй, высушивание в жидком азоте, высушивание спрэя и окислительный синтез, метод золь-геля, ацетатный метод и газофазная реакция. Стандартная процедура получения сверхпроводящих керамических порошков включает несколько этапов. Сначала исходные материалы смешиваются в определенном молярном отношении с помощью соответствующего процесса «перемешивания-размола» или жидкофазного смешивания. При этом однородность смеси ограничивается размерами частиц, и наилучшие результаты достигаются для частиц с размерами меньшими 1 мкм. В ультратонких порошках (с размерами частиц гораздо меньшими 1 мкм) часто наблюдается сегрегация частиц, ухудшающая их перемешивание. Данная проблема может быть минимизирована при использовании жидкофазного смешивания, обеспечивающего контроль композиции и химическую однородность. Кроме того, эта технология ликвидирует загрязняющее влияние среды при размоле и перемешивании порошков. В многокомпонентных средах, таких как ВТСП, процесс смешивания играет ключевую роль в получении высокой фазовой чистоты. Высококачественная смесь обеспечивает ускорение реакций. Таким порошкам при кальцинации требуются меньшие температуры и время для достижения желательной фазовой чистоты. Следующим шагом является высушивание или удаление растворителя, что необходимо для сохранения химической однородности, достигнутой в процессе смешивания. Для многокомпонентных (ВТСП) систем удаление растворителя при медленном испарении может привести к очень неоднородному осадку, вследствие различной растворимости компонент. Для минимизации этой проблемы используются различные технологии, включающие, в частности, процессы сублимации, фильтрации и др. После высушивания порошки подвергаются кальцинации в контролируемой атмосфере для достижения конечной структурной и фазовой композиции. Режим реакций для YBCO-системы определяется технологическими параметрами, такими как: температура и время кальцинации, скорость нагревания, атмосфера (парциальное давление кислорода) и исходные фазы. Порошки также могут быть непосредственно синтезированы из раствора с помощью технологии пиролиза или получены электроосаждением с помощью пропускания тока через раствор. При этом даже небольшие флуктуации композиции могут привести к формированию нормальных (несверхпроводящих) фаз, таких как: Y2BaCuO5, CuO и BaCuO2. Использование углеродсодержащих прекурсоров также осложняет формирование фазы YBa2Cu3O7-δ и приводит к понижению сверхпроводящих свойств. В свою очередь, порошок для получения сверхпроводящих пленок состава Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O (далее BSCCO) может быть изготовлен с помощью твердофазной реакции, соосаждения, пиролиза аэрозоль-спрэя, технологии обжига, высушивания замораживанием, метода жидкого смешивания, микроэмульсии или метода золь-геля. Стандартными подходами для получения сверхпроводящих прекурсорных порошков, используемых при изготовлении BSCCO-лент и проводов, являются, так называемые методы синтеза «одного порошка» и «двух порошков». В первом случае прекурсор получается в результате кальцинации смеси оксидов и карбонатов. Во втором - проводится обжиг смеси двух купратных соединений. Соблюдение этих условий позволяет получить поликристаллические образцы достаточно больших размеров (например, для магнитов бесконтактного электромагнитного подвеса транспортных систем).

Что касается синтеза ВТСП-пленок (как YBCO, так и других систем), то в общем случае применяются одно- (in situ) и двухстадийные (ex situ) методы. В первом случае, кристаллизация пленок происходит непосредственно в процессе их напыления и при соответствующих условиях осуществляется их эпитаксиальный рост. Во втором случае, пленки сначала напыляются при небольшой температуре, недостаточной для формирования необходимой кристаллической структуры, а затем они обжигаются в атмосфере O2 при температуре, обеспечивающей кристаллизацию необходимой фазы (например, для пленок YBCO это температура 900-9500С). Большинство одноэтапных методов реализуется при температурах значительно более низких, чем те, которые требуются для получения пленок в две стадии. Высокотемпературный обжиг формирует крупные кристаллиты и шероховатую поверхность, определяющие низкую плотность критического тока. Поэтому, изначально, in situ методы обладают преимуществом. По способам получения и доставки на подложку компонентов ВТСП различают физические методы напыления, включающие всевозможные испарения и напыления, а также химические методы осаждения.

Методы вакуумного соиспарения (methods of vacuum co-evaporation) подразумевают одновременное или последовательное (слой за слоем) соосаждение компонентов ВТСП, испаряемых из различных источников с помощью, например, электронно-лучевых пушек или резистивных испарителей. Получаемые по такой технологии пленки уступают по своим сверхпроводящим свойствам образцам, изготавливаемым методами лазерного или магнетронного напыления. Методы вакуумного соиспарения используются при двухстадийном синтезе, когда не имеют принципиального значения структура пленок, напыляемых на первом этапе, и содержание в них кислорода.

Лазерное испарение (laser evaporation) высокоэффективно при напылении ВТСП-пленок. Этот метод прост в реализации, имеет высокую скорость напыления и позволяет работать с небольшими мишенями. Его главным достоинством является одинаково хорошее испарение всех химических элементов, содержащихся в мишени. При испарении мишеней при определенных условиях можно получить пленки такого же состава, как и сами мишени. Важными технологическими параметрами являются: расстояние от мишени до подложки, а также давление кислорода. Их правильный выбор позволяет, с одной стороны, не допустить перегрев растущей пленки энергией плазмы, испаренной лазером, и соответствующее образование слишком крупных зерен, а с другой - установить энергетический режим, необходимый для роста пленки при возможно более низких температурах подложки. Высокая энергия напыляемых компонентов и присутствие в лазерном факеле атомарного и ионизированного кислорода позволяют изготовлять ВТСП-пленки в одну стадию. При этом получаются монокристаллические или высокотекстурированные пленки с с-осной ориентацией (ось с перпендикулярна плоскости подложки). Основными недостатками лазерного испарения являются: (а) малые размеры области, в которой можно напылить стехиометрические по составу пленки; (б) неоднородность их толщины и (в) шероховатость поверхности. Вследствие сильной анизотропии ВТСП хорошие транспортные и экранирующие свойства имеют только пленки с с-осной ориентацией. В то же время, пленки с а-осной ориентацией (ось а располагается в плоскости подложки ab), имеющие большую длину когерентности в направлении, перпендикулярном поверхности, и отличающиеся высокой гладкостью, удобны для изготовления качественных ВТСП джозефсоновских переходов, состоящих из последовательно напыленных слоев «ВТСП - нормальный металл» (или «диэлектрик - ВТСП»). Пленки со смешанной ориентацией нежелательны во всех отношениях.

Магнетронное распыление (magnetron scattering) позволяет в один этап получить пленки YBCO, не уступающие по своим сверхпроводящим свойствам образцам, выращенным методом лазерного испарения. При этом они имеют более однородную толщину и более высокую гладкость поверхности. Как и при лазерном испарении, образование плазмы при магнетронном распылении порождает высокоэнергетичные атомы и ионы, позволяющие одностадийное получение ВТСП-пленок при невысоких температурах. Здесь также важно расстояние «мишень - подложка». При близком расположении мишени от подложки и недостаточном давлении среды, подложка подвергается интенсивной бомбардировке отрицательными ионами кислорода, разрушающими структуру растущей пленки и ее стехиометрию. Для решения этой проблемы используется ряд подходов, включающих защиту подложки от бомбардировки высокэнергетичными ионами и ее расположение на оптимальном расстоянии от газоразрядной плазмы для обеспечения высокой скорости напыления и успешного роста пленки при максимально низких температурах. Полученные in situ тонкие YBCO-пленки, которые были изготовлены методом внеосевого магнетронного распыления и имели оптимальные электрические свойства, уже продемонстрировали температуру сверхпроводящего перехода и плотность критического тока, соответственно: Tc = 92 К и Jc = 7.106 А/см2. Разновидности импульсного лазерного напыления, используемые для получения пленок и проводов YBCO с высокой текстурой, изготавливаемых на различных моно- и поликристаллических подложках с подслоями и без них, позволяют достичь плотности критического тока Jс = 2,4.106 А/см2 при температуре 77 К и нулевом магнитном поле.

Сущностью метода химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (chemical precipitation from vaporous phase of metal-organic combinations) является транспортировка металлических компонентов в виде паров летучих металлоорганических соединений в реактор, смешение с газообразным окислителем, разложение паров и конденсация оксидной пленки на подложку. Данный метод позволяет получить тонкие ВТСП-пленки, сравнимые по своим характеристикам с образцами, изготовленными физическими методами напыления. К сравнительным преимуществам данного метода перед последними относятся: (а) возможность нанесения однородных пленок на детали не планарной конфигурации и большой площади; (б) более высокие скорости осаждения при сохранении высокого качества; (в) гибкость процесса на этапе отладки технологического режима, благодаря плавному изменению состава паровой фазы. Последнй процесс часто используют для производства ВТСП пленок с высокими критическими параметрами (сравнимыми с монокриcталлами) в случаях сложной конфигурации пленок на изделиях микроэлектронной коммерческой продукции.

5. Перспективы высокотемпературных сверхпроводников.

Создание конкретных технических изделий на основе ВТСП материалов наиболее реально в ближайшее время именно в слаботочной технике, т.е. в микроэлектронике и вычислительной технике.

СКВИДы (приборы на основе джозефсоновских переходов) как детекторы слабых магнитных полей для применения в медицине (магнитоэнцефалография), геологии и геофизике (поиск полезных ископаемых, изучение геологического строения земной коры, прогноз землетрясений), материаловедении (неразрушающий контроль материалов, конструкций), военной технике (обнаружение магнитных аномалий, в частности, глубинных подводных лодок), научных исследованиях, связи и навигации.

Широкое освоение и внедрение СКВИД магнитометрического метода измерений позволит в короткий срок качественно изменить многие виды измерительной техники, повысить в сотни и более раз чувствительность приборов и точность измерений, подвести измерительные возможности широкой номенклатуры датчиков к теоретическому пределу, вывести измерительную технику на высший качественно новый уровень.

Аналого-цифровые приборы (АЦП), использующие сверхбыстрые (доли пикосекунды) переключения от джозефсоновского к "гиверовскому" режиму работы, для применений в новейших системах связи, цифровых вычислительных устройствах для обработки и анализа аналоговых сигналов и др.

Приборы, основанные на эффекте появления на джозефсоновском переходе постоянного напряжения при подаче на него СВЧ сигнала, для использования в прецизионных измерительных системах (например, эталон Вольта).

Широкое применение ВТСП найдет в вычислительной технике. Уже в настоящее время разработаны, изготовлены и испытаны макеты ячейки памяти, сверхчувствительный элемент считывания на ВТСП пленках с кратным снижением энерговыделения по сравнению с полупроводниковыми усилителями считывания, сверхскоростные линии связи, которые позволят увеличить производительность систем в 10 - 100 раз. Внедрение ВТСП в вычислительную технику даст кратное увеличение ее быстродействия и степени интеграции. Так, переход на ВТСП соединения и снижение рабочей температуры полупроводниковых суперЭВМ позволит повысить их производительность с 10х9 до 10х12 операций/сек.

Одной из перспективных областей применения ВТСП будет космическая техника - бортовые и "забортовые" измерительная аппаратура и вычислительные системы (возможна работа без специальных устройств охлаждения, так как "теневая" температура у спутников - 90 К). При этом при переходе на ВТСП удельная масса охлаждающей системы снизится в 50 раз, объем уменьшится в 1000 раз, надежность возрастет в 10 раз.

Широкие перспективы использования ВТСП открываются в СВЧ-технике и в создании датчиков видимого и ИК диапазона с высокой чувствительностью.

Заключение

Ученые исселедовавшие Высокотемпературные сверхпроводники добились очень многого, они сделали гиганский скачек по температурной шкале сверхпроводимасти, они реализовали многие устройства на основе сверхпроводимости среди которых такие как поезд на магнитной подушке и линии электропередач без сопротивления но все же на данный момент не удалось подойти к комнатной температуре что делает сверхпроводимасть дорогой из за нужды поддержания низких температур, так же высокотемпературные сверхпроводники неполучили массового применения из за хрупкой оксидной структуры, которая способствующет быстрому возникновению и развитию структурных дефектов, приводящих к резкому ухудшению сверхпроводящих свойств. Все это привело уменьшению вливания средств в данную отрасль а сдежовательно и охлаждению внимания со стороны учених.

Список литературы

1. Боголюбов Н. Н., Толмачев В. В., Ширков Д. В. Новый метод в теории сверхпроводимости. М.: Изд-во АН СССР, 1958.

2. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость. М.: Альфа-М, 2006.

3. J.G.Bednorz, K.A.Muller , Rev. Mod. Phys.,- B, 64,- P.189-(1988).

4. Физические свойства высоко-температурных сверхпроводников. Под. ред. Д.М.Гинзберга. М:. «Мир», 1990, 544 С.

5. C. Renner et al. Phys. Rev. Lett. 80, 3606 (1998); S.H. Pan et al. Phys. Rev. Lett. 85, 1536 (2000).

6. Tallon J. L., Loram J.W. Physica C. 349 53 (2001); cond-mat/0005063.

7. Г.П.Швейкин, В.А.Губанов, А.А.Фотиев, Г.В.Базуев, А.А.Евдокимов. Электронная структура и физико-химические свойства высоко- температурных сверхпроводников. М:. «Наука», 1990, 240 С.

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

Для начала, на всякий случай, хочется отметить, что сам термин «высокотемпературный сверхпроводник» означает сверхпроводники с критической температурой выше 77 К (-196 °C) - температуры кипения дешёвого жидкого азота. Не редко к ним относят и сверхпроводники с критической температурой около 35 К, т.к. такую температуру имел первый сверхпроводящий купрат La 2-x Ba x CuO 4 (вещество переменного состава, отсюда и x). Т.е. «высокие» температуры тут пока ещё очень низкие.

Основное распространение получило два высокотемпературных сверхпроводника - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) и Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Также применяются схожие с YBCO материалы, в которых иттрий заменён иным редкоземельным элементом, например гадолинием, их общее обозначение - ReBCO.
Выпускаемые YBCO, да и другие ReBCO, имеют критическую температуру на уровне 90-95 К. Выпускаемые BSCCO достигают критической температуры в 108 К.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для начала, на всякий случай, хочется отметить, что сам термин «высокотемпературный сверхпроводник» означает сверхпроводники с критической температурой выше 77 К (-196 °C) - температуры кипения дешёвого жидкого азота. Не редко к ним относят и сверхпроводники с критической температурой около 35 К, т.к. такую температуру имел первый сверхпроводящий купрат La 2-x Ba x CuO 4 (вещество переменного состава, отсюда и x). Т.е. «высокие» температуры тут пока ещё очень низкие.

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

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

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