Despre supraconductivitate la temperatură înaltă (HTS). Descoperirea supraconductivității la temperaturi ridicate Aplicații ale HTSC
Descoperitorul supraconductivității Kamerlin-Onnes. (1911), www.superconductors.org
Autorii celui mai popular model de supraconductivitate (BCS) sunt John Bardeen, Leon Kupper, John Schrieffer (1957), www.superconductors.org
Strămoșii HTSC. Laureații Premiului Nobel Alex Müller și Georg Bednorz, www.superconductors.org
Descoperirea fazelor HTSC care conțin mercur la Departamentul de Chimie a Universității de Stat din Moscova - E.V Antipov și S.N. www.icr.chem.msu.ru
Istoria descoperirii
(Tretiakov Yu.D., Gudilin E.A., Principii chimice de obținere a supraconductorilor de oxid de metal, Uspekhi Khimii, 2000, v. 69, nr. 1, p. 3-40.)
Istoria supraconductivității se caracterizează printr-un lanț de descoperiri de structuri din ce în ce mai complexe, un fel de „evoluție chimică” de la simplu la complex. Datează din 1911, când fizicianul olandez Kamerlingh Onnes, care a obținut pentru prima dată heliu lichid și a deschis astfel calea unor studii sistematice ale proprietăților materialelor la temperaturi apropiate de zero absolut, a descoperit că la 4,2 K mercurul metalic obișnuit (o substanță simplă). reprezentând un „metal rău”) pierde complet rezistența electrică. În 1933 Meissner și Ochsenfeld au arătat că supraconductorii (SC) sunt, de asemenea, materiale diamagnetice ideale, adică împing complet liniile câmpului magnetic din volumul supraconductorului.
Toate acestea, în principiu, au deschis posibilități enorme pentru aplicarea practică a supraconductivității. Cu toate acestea, pe drumul spre implementarea acestor idei, pentru o lungă perioadă de timp a existat un obstacol de netrecut - temperatura extrem de scăzută a trecerii la starea SC, numită temperatură critică (Tc). În cei 75 de ani care au trecut de la descoperirea lui Kamerlingh Onnes, această temperatură a fost ridicată doar la 23,2 K pe compusul intermetalic Nb 3 Ge, iar teoriile general acceptate ale supraconductivității (BCS) au dat naștere neîncrederii în posibilitatea fundamentală. de depăşire a acestei bariere de temperatură.
În 1986 Bednorz și Müller au descoperit capacitatea ceramicii bazate pe oxizi de cupru, lantan și bariu (La 2-x Ba x CuO 4) de a trece la starea supraîncălzită la 30K. Cuprații complexe de compoziție similară au fost sintetizați în 1978. Lazarev, Kahan și Shaplygin, precum și cercetători francezi doi ani mai târziu. Din păcate, conductivitatea electrică a acestor probe a fost măsurată doar până la punctul de fierbere al azotului lichid (77 K), ceea ce nu a făcut posibilă detectarea efectului supraconductivității.
Cea mai importantă caracteristică a descoperirii HTSC este că supraconductivitatea a fost descoperită nu în compușii intermetalici tradiționali, structuri organice sau polimerice, ci în ceramica oxidică, care prezintă de obicei proprietăți dielectrice sau semiconductoare. Acest lucru a distrus barierele psihologice și a permis, într-un timp scurt, crearea de noi generații mai avansate de asociații mixte cu oxizi metalici aproape simultan în SUA, Japonia, China și Rusia:
Februarie 1987 - Chu et al sintetizează, folosind ideea „compresiei chimice” pentru a modifica structura, ceramica SP din oxizi de bariu, ytriu și cupru YBa 2 Cu 3 O 7-x cu o temperatură critică de 93 K, adică , peste punctul de fierbere al azotului lichid.
În ianuarie 1988 Maeda et al sintetizează o serie de compuşi cu compoziţia Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4, printre care faza cu n=3 are T c =108K.
O lună mai târziu, Sheng și Herman au obținut supraconductorul Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 c T c = 125K.
În 1993 Antipov, Putilin și alții au descoperit o serie de supraconductori care conțin mercur cu compoziția HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+ d (n=1-6). În prezent, faza HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg -1223) are cea mai mare valoare cunoscută a temperaturii critice (135 K), iar la o presiune externă de 350 mii atmosfere, temperatura de tranziție crește la 164 K. , care este cu doar 19 K mai mică decât temperatura minimă, înregistrată în condiții naturale pe suprafața Pământului. Astfel, SC „au evoluat chimic”, trecând de la mercur metalic (4,2 K) la HTSC care conține mercur (164 K).
În total, aproximativ 50 de cuprați HTSC stratificati originale sunt cunoscute până în prezent. Din când în când, în presă apar reportaje senzaționale despre crearea de noi SP-uri cu temperaturi peste temperatura camerei. Și, deși SC fără cupru sunt cunoscute de destul de mult timp, nu au reușit încă să atingă o temperatură ridicată de tranziție la starea SC (valorile record ale T c pentru SC fără cupru au fost atinse în Ba 1 -x K x BiO 3 și în faza interstițială pe bază de fullerenă (Cs 3 C 60) Trebuie menționată separat și direcția asociată cu încercările de a sintetiza HTSC „sigure pentru mediu” care nu conțin metale grele (Hg, Pb). , Ba), de exemplu, fazele de oxicuprat de calciu obţinute la presiune ridicată.
Supraconductivitate la temperaturi ridicate
Descoperirea la sfârșitul anului 1986 a unei noi clase de materiale supraconductoare la temperatură înaltă extinde radical posibilitățile de utilizare practică a supraconductivității pentru a crea noi tehnologii și va avea un impact revoluționar asupra eficienței sectoarelor economiei naționale.
Fenomenul dispariției complete a rezistenței electrice a unui conductor atunci când acesta este răcit sub o temperatură critică a fost descoperit în 1911, dar utilizarea practică a acestui fenomen a început la mijlocul anilor 60, după ce au fost dezvoltate materiale supraconductoare adecvate aplicațiilor tehnice. Datorită faptului că temperaturile critice ale acestor materiale nu depășeau 20 K, toate dispozitivele supraconductoare create au fost operate la temperaturi ale heliului lichid, adică. la 4-5 K. În ciuda deficitului acestui agent frigorific, a costurilor mari de energie pentru lichefierea lui, a complexității și a costului ridicat al sistemelor de izolare termică într-o serie de domenii, a început utilizarea practică a supraconductivității. Cele mai mari aplicații ale supraconductorilor sunt electromagneții acceleratorilor de particule încărcate, instalațiile termonucleare și generatoarele MHD. Au fost create prototipuri de generatoare electrice supraconductoare, linii de transmisie a energiei electrice, dispozitive de stocare a energiei, separatoare magnetice etc. În ultimii ani, a început producția în masă de tomografe RMN medicale de diagnosticare cu magneți supraconductori, a căror piață potențială este estimată. la câteva miliarde de dolari.
Descoperirea supraconductorilor de înaltă temperatură, a căror temperatură critică depășește cu o marjă punctul de fierbere al azotului lichid, modifică fundamental indicatorii economici ai dispozitivelor supraconductoare, deoarece costul lichidului de răcire și costul menținerii temperaturii necesare sunt reduse cu de 50-100 de ori. În plus, descoperirea supraconductivității la temperatură înaltă (HTSC) a ridicat interdicția teoretică privind creșterea în continuare a temperaturii critice de la 30 la temperatura camerei. Astfel, de la descoperirea acestui fenomen, temperatura critică a crescut de la 30 la 130 K.
Programul științific și tehnic de stat prevede o gamă largă de lucrări, inclusiv cercetare fundamentală și aplicată care vizează rezolvarea problemei implementării tehnice a supraconductivității la temperatură înaltă.
În conformitate cu structura programului, principalele domenii de lucru sunt:
1. CERCETAREA NATURII SI PROPRIETATILOR HTSC.
Sarcinile principale ale acestei direcții sunt cercetarea fundamentală pentru elucidarea mecanismului de supraconductivitate la temperatură înaltă, dezvoltarea teoriei HTSC, prezicerea căutării de noi compuși cu parametri critici înalți și determinarea proprietăților lor fizico-chimice.
2. INFLUENȚA FACTORILOR EXTERNI ASUPRA PROPRIETĂȚILOR MATERIALELOR HTSC.
În acest domeniu se vor desfășura cercetări privind influența presiunilor înalte, efecte mecanice și termice, radiații ionizante, câmpuri electromagnetice și alți factori externi asupra proprietăților materialelor HTSC și elaborarea de recomandări privind realizarea materialelor HTSC cu tehnologia optimă. si caracteristici tehnice.
3. BAZELE ŞTIINŢIFICE ŞI TEHNOLOGII PENTRU PRODUCEREA MATERIALELOR HTSC.
Principalele obiective ale cercetării în acest domeniu sunt dezvoltarea fundamentelor teoretice pentru producerea de materiale supraconductoare la temperatură înaltă cu proprietăți specificate, sinteza de noi materiale cu parametrii necesari implementării tehnice și dezvoltarea tehnologiilor de producere la temperatură înaltă. supraconductori de forme tehnice specificate. Problemele cheie în această direcție și întregul program în ansamblu sunt crearea de structuri cu peliculă subțire stabile și avansate tehnologic, potrivite pentru implementare în tehnologia cu curent redus, și în special elemente purtătoare de curent cu curent ridicat sub formă de fire, benzi. , cabluri etc. pentru utilizare în tehnologia cu curent ridicat.
4. APLICAȚII CU CURENȚ MIC ALE HTSC.
Crearea de produse tehnice specifice bazate pe materiale HTSC este cea mai realistă în viitorul apropiat tocmai în tehnologia cu curent redus, adică. în microelectronică și tehnologie informatică.
Programul implică dezvoltarea și stăpânirea producției în serie a trei clase de dispozitive electronice supraconductoare:
SQUID-urile (dispozitive bazate pe joncțiuni Josephson) ca detectoare de câmpuri magnetice slabe pentru utilizare în medicină (magnetoencefalografie), geologie și geofizică (prospecție minerală, studierea structurii geologice a scoarței terestre, prognoza cutremurelor), știința materialelor
(încercări nedistructive ale materialelor, structurilor), echipamentelor militare
(detecția anomaliilor magnetice, în special a submarinelor de adâncime), cercetare științifică, comunicații și navigație.
Dezvoltarea și implementarea pe scară largă a metodei de măsurare magnetometrică SQUID va face posibilă într-un timp scurt schimbarea calitativă a multor tipuri de echipamente de măsurare, creșterea sensibilității instrumentelor și acuratețea măsurătorilor de sute sau mai multe ori, aducerea capacităților de măsurare a unei largi gama de senzori la limita teoretică și aduce echipamentele de măsurare la cel mai înalt nivel calitativ nou.
Dispozitive analog-digitale (ADC) care folosesc comutarea ultra-rapidă (fracții de picosecundă) de la modurile de operare Josephson la „Giver”, pentru aplicații în cele mai recente sisteme de comunicații, dispozitive de calcul digital pentru procesarea și analiza semnalelor analogice etc.
Dispozitive bazate pe efectul apariției unei tensiuni constante pe o joncțiune Josephson atunci când i se aplică un semnal cu microunde, pentru utilizare în sisteme de măsurare de precizie (de exemplu, un standard
Volta).
HTSC va găsi o largă aplicație în tehnologia computerelor. Deja în prezent, au fost dezvoltate prototipuri ale unei celule de memorie, un element de citire ultra-sensibil pe filmele HTSC cu o reducere multiplă a eliberării de energie în comparație cu amplificatoarele de citire cu semiconductor și linii de comunicație de ultra-înaltă viteză, care vor crește productivitatea sistemelor de 10 - 100 de ori. Introducerea HTSC în tehnologia informatică va asigura o creștere multiplă a vitezei și gradului de integrare a acestuia. Deci, trece la
Conexiunile HTSC și scăderea temperaturii de funcționare a supercalculatoarelor cu semiconductori vor crește productivitatea acestora de la 10x9 la 10x12 operațiuni/sec.
Perspective largi de utilizare a HTSC-urilor se deschid în tehnologia cu microunde și în crearea de senzori în domeniul vizibil și IR cu sensibilitate ridicată.
5. APLICAȚII DE CURENȚ ÎNALT ALE HTSC.
Utilizarea HTSC în tehnologia de înaltă curent va avea cele mai radicale consecințe economice pentru economia națională.
Această direcție include crearea de dispozitive și sisteme de energie electrică care generează, transmit și convertesc energie electrică la scară industrială. Baza acestei direcții este capacitatea supraconductoarelor de a transporta densități mari (10x9-10x10 A/m2) de curent de transport în câmpuri magnetice puternice la temperaturi sub critice, fără pierderi. Această proprietate a supraconductorilor face posibilă crearea de echipamente electrice de putere pentru diverse scopuri, cu caracteristici de greutate și dimensiune îmbunătățite, mai mari.
eficienta si reducerea semnificativa (de zeci de ori) a costurilor de operare.
Astfel, la transmiterea puterii de peste 20 milioane kW prin cabluri electrice pe o distanță de peste 2000 km, se preconizează o reducere a pierderilor electrice cu 10%, ceea ce corespunde unor economii de 7 până la 10 milioane t.e. in an. În același timp, costurile date pentru o linie electrică cu cablu supraconductor nu pot fi mai mari decât pentru o linie electrică tradițională de înaltă tensiune.
Generatoarele supraconductoare sincrone pentru centrale termice, centrale nucleare și hidrocentrale vor avea
Eficiență cu 0,5-0,8% mai mare și greutate și dimensiuni cu 30% mai mici. Se preconizează crearea unor dispozitive de stocare a energiei inductive supraconductoare, care, în comparație cu stațiile de stocare cu pompare, singurul tip de dispozitiv de stocare a energiei care și-a găsit aplicație industrială în sectorul energetic, vor avea o eficiență semnificativ mai mare (în schimb până la 97-98% de 70%). În cadrul programului, este planificată crearea unei game largi de dispozitive electrice și electrice, în timp ce scara economiilor totale de energie datorită utilizării masive a supraconductoarelor de înaltă temperatură va fi atât de mare încât va face posibilă revizuirea radicală a strategiei extinse existente pentru dezvoltarea complexului de combustibil și energie.
Conform structurii programului, este planificată dezvoltarea și producerea de dispozitive și sisteme supraconductoare, a căror creare este fezabilă din punct de vedere economic și tehnic, pe baza supraconductoarelor tradiționale cu heliu.
Acestea sunt separatoare supraconductoare, tomografe RMN, sisteme magnetice pentru confinarea plasmei în TOCOMAC și acceleratoare de particule încărcate etc.
Crearea unor astfel de sisteme, pe lângă efectul economic real din implementarea lor, va pune bazele tehnice și tehnologice necesare pentru o tranziție rapidă la HTSC pe măsură ce se creează conductoare HTSC avansate din punct de vedere tehnologic.
6. CRYOSTATARE.
Deoarece, în ciuda creșterii semnificative a temperaturilor critice ale noilor materiale supraconductoare, valoarea lor absolută rămâne la nivelul temperaturilor criogenice, unul dintre cele mai importante domenii de cercetare și dezvoltare este crearea de instalații automate de lichefiere și refrigerare a azotului extrem de economice, fiabile. , sisteme criostatice pentru produse supraconductoare specifice, precum și căutarea unor metode fundamental noi de producere a frigului în intervalul de temperatură de funcționare al HTSC.
Este planificată crearea unor sisteme de diagnosticare și monitorizare a parametrilor dispozitivelor criostatice.
În plus, pentru produsele și sistemele create pe baza supraconductoarelor tradiționale, vor fi dezvoltate și fabricate instalații de heliu de nouă generație cu indicatori tehnici și economici înalți.
7. ASIGURAREA LUCRĂRII ÎN PROGRAMUL HTSC.
În cadrul acestei direcții, este planificată realizarea unei game largi de lucrări privind prognoza științifică și tehnică și studii de fezabilitate pentru utilizarea HTSC, dezvoltarea și implementarea sistemelor informatice automatizate și crearea de baze de date pe HTSC.
În plus, va fi implementat un program cuprinzător de formare și recalificare a personalului cu diferite calificări pentru a lucra pe probleme
HTSC.
Posibilitățile de utilizare practică a materialelor HTSC rămân promițătoare pentru microelectronică, medicină și sisteme eficiente de producere, stocare și transmitere a energiei.
Utilizarea filmelor a făcut posibilă crearea de mostre pilot de sisteme de comunicații de nouă generație (inclusiv ecrane electromagnetice, modulatoare, antene, comutatoare și filtre pentru semnale cu microunde și impulsuri, structuri de film multistrat, inclusiv, pe lângă straturile HTSC, straturi de dielectrici, feroelectrice, metale normale), bolometre cu unde milimetrice, intervale de radiații submilimetrice și infraroșii, diagrame schematice ale calculatoarelor ultra-rapide, tomografe medicale sensibile și dispozitive de diagnosticare ultra-sensibile capabile să răspundă chiar și la modificările stării mentale a unei persoane (dispozitive de măsurare care utilizează efectul Josephson).
De-a lungul anilor de existență a HTSC-urilor, curenții critici și dimensiunile benzilor cu caracteristici superconductoare ridicate au crescut cu ordine de mărime, ceea ce ne permite să vorbim despre posibilitățile reale de aplicare practică a acestei clase de materiale HTSC, inclusiv pentru crearea. de magneți ultra-puternici și linii de transfer de energie fără disipare. Benzile placate cu argint pot fi deja produse de multe companii pe o bază industrială și în volume (mulți kilometri) suficiente pentru majoritatea aplicațiilor solicitate, iar acest proces este încă limitat de costul lor ridicat. Cu toate acestea, multe proiecte pilot și linii de testare sunt deja în funcțiune.
Experimente asupra levitației ființelor umane în laboratorul de supraconductivitate ( Superconductivity Research Laboratory, ISTEC, Tokyo, Japonia)
Perspectivele de utilizare a materialelor HTSC pe baza fazei 123 sunt legate de faptul că cele mai de succes și practic soluții semnificative în acest domeniu pot fi găsite pentru produsele vrac cu o formă destul de simplă. Astfel de produse pot fi împărțite în două clase mari. Prima dintre ele include eșantioane care au o capacitate ridicată de a ecrana un câmp magnetic extern sau de a fi împins de acesta, care poate fi caracterizată prin așa-numita forță de levitație, care depinde de densitatea curentului critic intracristalin. O altă clasă este formată din materiale HTSC cu valori mari ale curentului de transport (intercristalin). Aplicațiile practice așteptate ale unor astfel de ceramice sunt: (1) magneți permanenți cu un flux magnetic „înghețat”, (2) trenuri cu levitație magnetică (proiectul MAGLEV), (3) acumulatori mecanici (rotativi) de energie bazați pe volante levitate (roți zburătoare), (4) rulmenți care se rotesc fără frecare, (5) motoare eficiente, economice și generatoare de sarcină grea, transformatoare, (6) separatoare magnetice de minereu, (7) relee supraconductoare, limitatoare de curent de mare viteză, (8) puternice non-disipative conductoare de curent, (9 ) tomografe, care au fost utilizate recent în mod activ în medicină, (10) sisteme magnetice puternice pentru fuziunea termonucleară, acceleratori de particule (noua generație Tokamak), (11) generatoare magnetohidrodinamice.
Cea mai realistă aplicație practică a monocristalelor mari poate fi materialele substrat în tehnologia filmelor subțiri și microelectronică. Acest lucru se datorează faptului că, fiind create dintr-un material similar ca compoziție chimică cu peliculele subțiri depuse, monocristalele ar trebui să demonstreze nepotrivire scăzută între parametrii celulei unitare și peliculă, coeficienți de dilatare termică similari și să promoveze creșterea epitaxială a filme. Toți parametrii cristalochimici și termomecanici ai cristalelor substratului pot fi ajustați destul de precis prin utilizarea soluțiilor solide cu diferite substituții atât în pozițiile de ytriu, cât și de bariu.
Astfel, în urma cercetărilor în domeniul supraconductorilor chimici, au fost rezolvate un număr imens de probleme și s-au obținut rezultate cu adevărat remarcabile. La rândul său, o înțelegere profundă a fundamentelor fizico-chimice ale proceselor care au loc în timpul producției diferitelor materiale HTSC au fost cauzele fundamentale și pietrele de temelie ale acestui succes, iar acest lucru a îmbogățit în mod semnificativ teoria și practica sintezei anorganice a compușilor de oxizi complecși. Specificul cercetării moderne rusești privind HTSC constă în proporția mare a cercetării fundamentale, în care știința academică autohtonă este chemată să joace un rol important. În opinia noastră, aceste studii vor contribui la crearea unor dezvoltări interne foarte reale și competitive.
Schimb de cavaler
Frecvența rezonanței magnetice nucleare (RMN) pentru același nucleu depinde dacă nucleul este un metal sau un dielectric. Schimbarea frecvenței RMN într-un metal în comparație cu un dielectric, numită schimbare sau schimbare Knight, se explică prin probabilitatea mare ca electronii de conducție să se afle în locația nucleelor. Acești electroni sunt magnetizați de câmpul extern, iar câmpul magnetic total de la nucleu se dovedește a fi ceva mai mare decât câmpul extern. Deoarece susceptibilitatea magnetică a metalelor normale este practic independentă de temperatură, schimbarea Knight în ele este, de asemenea, constantă.
La supraconductori, deplasarea Knight se observă în emulsii sau stive de filme subțiri (dimensiunea particulelor de emulsie sau grosimea filmelor trebuie să fie mult mai mică decât d pentru ca câmpul magnetic din acestea să fie suficient de uniform). Mărimea deplasării sub Tk scade, dar chiar și la T=0 își păstrează valoarea finală, ajungând la 75% din cea normală. La prima vedere, acest lucru contrazice teoria supraconductivității. Într-adevăr, în starea fundamentală cu cea mai mică energie, electronii sunt combinați în perechi Cooper, al căror spin total de electroni este zero. Prin urmare, este posibil să magnetizezi un sistem electronic doar prin ruperea perechilor, dar aceasta necesită energie finită. Rezultă că momentul magnetic nu poate depinde liniar de câmpul exterior, adică. susceptibilitatea magnetică este zero.
Cea mai convingătoare explicație pentru mărimea finită a deplasării Knight în supraconductori la T = 0 pare să fie următoarea. În eșantioanele de dimensiuni mici, electronii sunt împrăștiați de la limitele probelor și de la limitele cristalitelor (a căror dimensiune este mai mică decât sau aproximativ dimensiunea probelor). Datorită interacțiunii spin-orbita, există o anumită probabilitate ca spinul electronului să-și schimbe orientarea în timpul unei astfel de împrăștieri. Datorită acestui fapt, sistemul electronic poate fi magnetizat într-un câmp magnetic slab.
Supraconductivitate la temperaturi ridicate
Problema supraconductivității la temperatură înaltă este extrem de importantă din punct de vedere practic. Dintre toate materialele cunoscute, aliajul (Nb 3 Al) 4 + Nb 3 Ge are cea mai mare temperatură de tranziție la starea supraconductoare; Tk pentru aceasta este ~ 20 0 K. Pentru a-l obține este necesară utilizarea heliului lichid. Mecanismul de tranziție la starea supraconductoare discutat anterior se bazează pe interacțiunea electronică prin rețeaua cristalină, adică datorită schimbului de fononi. Teoria BCS arată că Tk este direct legată de intensitatea forței de atracție care apare între electroni și este determinată de următoarea relație:
T k = e -1/g, (82)
unde și este temperatura Debye, g este o constantă în funcție de forța de atracție dintre electroni și ordinul de mărime nu depășește S și este aproape întotdeauna mai mic decât S. La g = 1/3, temperatura critică maximă care poate fi obținută pentru un material cu u = 500 0 K este: T k = e -3 = 0,05u ~ 25 0 K. Desigur, această estimare este foarte grosieră, dar este suficient pentru a înţelege că nu se poate realiza supraconductivitate la temperatură înaltă (Tc > 70-100 0 K). Trebuie subliniat că chiar și atingerea Tk ~ 25 0 K ar fi extrem de importantă din punct de vedere practic, deoarece ar permite trecerea de la heliu lichid la hidrogen lichid mult mai ieftin. Astfel, pentru a realiza supraconductivitate la temperatură înaltă, este necesar să se caute un alt mecanism de corelare a electronilor.
Ideea supraconductivității la temperatură înaltă (HTSC) în compușii organici a fost prezentată în 1950. F. Londra și doar 14 ani mai târziu, un răspuns la această idee a apărut în lucrările fizicianului american W. Little, care a prezentat presupunerea îndrăzneață că supraconductorii de natură organică, mai degrabă decât metalică, sunt posibili. Little a acordat un loc important în raționamentul său moleculelor de polimer, în lanțul principal al cărora există legături simple și multiple alternative (chimiștii numesc astfel de legături conjugate). Faptul este că fiecare legătură chimică care leagă atomii este o pereche de electroni care aparțin ambilor. Într-un lanț de legături conjugate, gradul de socializare a electronilor este și mai mare: fiecare dintre ei aparține în mod egal tuturor atomilor lanțului și se poate mișca liber de-a lungul acestuia. Corelația electronilor care se mișcă de-a lungul lanțului se realizează datorită polarizării acestor fragmente, și nu rețelei cristaline. Deoarece masa unui electron este cu câteva ordine de mărime mai mică decât masa oricărui ion, polarizarea fragmentelor de electroni poate fi mai puternică și temperatura critică mai mare decât în cazul mecanismului de fond. Little a considerat că această caracteristică a legăturilor conjugate din lanțul principal al unei molecule de polimer este o condiție prealabilă importantă pentru tranziția la starea supraconductoare. De asemenea, a considerat o structură specială de ramuri din lanțul principal necesară tranziției. După ce a elaborat designul polimerului său, omul de știință a concluzionat: o substanță cu astfel de molecule trebuie să fie supraconductoare; Mai mult, ar trebui să intre în această stare la o temperatură nu foarte scăzută, poate apropiată de temperatura camerei. Un model schematic al unui supraconductor organic este prezentat în Fig. 13.
Orez. 13
Conductorii lipsiți de orice pierdere de energie în condiții complet obișnuite ar revoluționa, desigur, ingineria electrică. Ideea fizicianului american a fost preluată de multe laboratoare din diferite țări. Cu toate acestea, a devenit rapid clar că polimerul inventat de Little nu putea intra într-o stare supraconductivă. Dar entuziasmul născut din ideile îndrăznețe a dat roade, deși nu acolo unde erau așteptate la început. Supraconductivitatea a fost încă descoperită în afara lumii metalelor. În 1980, în Danemarca, un grup de cercetători condus de K. Bekgaard, experimentând cu o substanță organică din clasa sărurilor ionilor radicali, a transferat-o într-o stare supraconductoare la o presiune de 10 kilobari și o temperatură de 0,9 grade peste zero absolut. În 1983, o echipă de fizicieni sovietici, condusă de doctorul în științe fizice și matematice I.F. Shchegolev, a realizat o tranziție de la o substanță din aceeași clasă la o stare supraconductoare deja la o scară de temperatură absolută de 7 grade și la presiune normală. În timpul tuturor acestor căutări și teste, carabina nu a fost ignorată de cercetători. (Carbyne este o substanță organică extrem de rară în natură. A cărei structură este nesfârșită de lanțuri liniare de atomi de carbon. Își păstrează structura când este încălzită la 2000 C, iar apoi, începând de la aproximativ 2300 C, este rearanjată conform tip de rețea cristalină de grafit. Densitatea carbinei este de 1,92,2 g/cm.
(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))
Modelul teoretic al supraconductivității la temperatură înaltă dezvoltat de academicianul V.L Ginzburg se bazează pe așa-numitul mecanism al interacțiunii electronilor. Faptul este că într-un sistem electronic există unde speciale - excitoni. Ca și fononii, aceștia sunt cvasiparticule care se mișcă în întregul cristal și nu sunt asociate cu transferul de sarcină electrică și de masă. Un eșantion model al unui astfel de supraconductor este o peliculă metalică în straturi de dielectric sau semiconductor. Electronii de conducere care se mișcă în metal resping electronii dielectrici, adică se înconjoară cu un nor de sarcină pozitivă în exces, ceea ce duce la formarea unei perechi de electroni. Acest mecanism de corelare a electronilor prezice valori foarte mari ale temperaturii critice (Tc = 200 K).
La sfârșitul anului 1986, a fost publicat un raport de K. Müller și J. Bednoretz din Elveția despre descoperirea supraconductivității ceramicii lantan - bariu - cupru - oxigen la temperaturi care depășesc 30 0 K. În curând au venit rapoarte din Japonia și SUA despre supraconductivitatea lantanului - stronțiului - ceramicii cuprului - oxigenului la temperaturi de 40-50 0 K. În URSS, în laboratorul lui A. Golovashkin de la Institutul de Fizică al Academiei de Științe a URSS, s-a descoperit că în ytriu-. supraconductivitatea ceramicii pe bază de ceramică începe la o temperatură de 120 0 K. În prezent, se efectuează căutări intensive pentru supraconductori cu temperaturi mai mari (poate chiar temperatura camerei), care au dus deja la descoperirea unei clase mari de materiale care se transformă într-o stare supraconductoare. la temperaturi de azot. Superconductorii polimeri sunt foarte promițători în acest sens.
Odată cu căutarea materialelor supraconductoare cu Tc crescut, pe baza efectului împerecherii electronilor de conducție prin ionii rețelei încărcați pozitiv, laboratoarele din întreaga lume caută în mod activ alte mecanisme de interacțiune a electronilor care pot duce la o atracție mai eficientă a electronilor, și, în consecință, la producerea de materiale supraconductoare cu temperatură de tranziție Tc semnificativ mai mare.
1) În 1957, a fost creată teoria BCS universală, care a oferit o explicație fundamentală pentru fenomenul de supraconductivitate.
2) Sistemul electronic dintr-un supraconductor poate fi reprezentat ca fiind format din perechi legați de electroni (perechi Cooper) și excitație ca o rupere de pereche.
3) Sistemul electronic, aflat în stare supraconductivă, este separat de cel principal printr-un interval de energie de lățimea E St.
4) În punctul de trecere la starea supraconductoare, capacitatea termică se modifică brusc.
5) Pe baza teoriei supraconductivității, a fost descoperit un fenomen numit efect Josephson. Acesta implică fluxul de curent supraconductor printr-un strat subțire de dielectric care separă doi supraconductori. Există două efecte Josephson - staționare și non-staționare.
6) Fluxul magnetic într-un supraconductor este cuantificat și poate lua doar un număr de valori discrete.
7) Starea intermediară a supraconductorilor de tip I depinde de forma probei, de localizarea acesteia într-un câmp magnetic extern și nu apare întotdeauna. Starea mixtă a supraconductorilor de tip II este o proprietate internă și apare în probe de orice formă imediat ce câmpul magnetic atinge o valoare critică.
Utilizarea practică a supraconductoarelor a fost de mult îngreunată de unul dintre cei trei factori principali: temperaturi scăzute de tranziție supraconductoare, existența unui câmp magnetic critic și un curent critic.
Dacă HTSC-urile au fost folosite cu succes în crioelectronică deja în 1987 (ecrane magnetice, diverse receptoare de radiații cu microunde cu peliculă subțire care funcționează la 77 K), atunci utilizarea HTSC-urilor în sectorul energetic este o chestiune de a doua zi. În 1999, la a 3-a Conferință internațională privind problemele fizice și tehnice ale materialelor și componentelor electrice (Moscova, Klyazma, Rusia, autori: A.D. Nikulin, A.K. Shirokov, A.B. Vorobyova) s-a raportat că în Ca urmare a unui complex de cercetări și dezvoltare realizată la VNIINM, au fost create bazele procesului de creare a conductoarelor unice și multicore bazate pe sistemul bismut ( Bi-2212 și Bi -2223), precum și produse masive pe bază de ceramică HTSC Y - Ba - Cu - O . HTSC-urile compozite sunt produse cu o lungime a unei singure piese de până la 250 m, cu un curent critic de până la 45 A (77 K, O T). Nivelul atins de densitate de curent de proiectare pe astfel de conductori- până la 6 kA/cm 2 (77 K, 0 Ts) au făcut posibilă începerea producției de produse electrice criogenice.
În colaborare cu Institutul de Aviație din Moscova, Institutul Kurchatov RNS, Institutul de Fizică a Energiei Înalte și Institutul de Cercetare Științifică a Mașinilor Electrice, au fost fabricate și testate cu succes primele mostre de criomotoare, cabluri de curent și bobine magnetice bazate pe conductori HTSC. .
Pentru utilizarea în tehnologia electronică, multe grupuri științifice lucrează la utilizarea filmelor subțiri HTSC obținute prin diferite metode. De exemplu, abordări ale calculului și fabricării filtrelor cu parametri cvasi-lump și lumped și dimensiuni mici la frecvențe de 500–2000 MHz, materiale HTSC cu un coeficient de temperatură de rezistență aproape de zero pentru fabricarea de rezistențe de precizie la temperatură joasă, etc sunt studiate.
Perspectivele de utilizare a supraconductorilor au fost reflectate destul de clar în articolul „New Superconductors: Application Prospects” de Alan M. Wolsky et al în Scientific American, 4 aprilie 1989, dintre care cele mai interesante sunt prezentate mai jos (Figura 10.18). .
Orez. 10.18. Aplicații ale supraconductorilor
Magneți supraconductori. Folosind un electromagnet convențional, care este o bobină de sârmă de cupru plasată pe un miez de fier, pot fi create câmpuri de până la 2 Tesla, iar firele de cupru pot rezista la densități de curent de până la 400 A/cm2.
Supraconductorii fac posibilă eliminarea necesității unui miez de fier prin creșterea densității curentului la 100.000 A/cm2. Astfel de densități de curent fac posibilă obținerea de aliaje din niobiu-3 și staniu și niobiu cu titan la temperatura heliului lichid (4 K).
Probele vrac de ytriu - bariu - oxid de cupru pot rezista la densități de curent de până la 4000 A/cm2 la temperatura azotului lichid (77 K) într-un câmp de 1 T. În absența unui câmp magnetic, densitatea de curent poate ajunge la 17000 A/cm2.
Generatoare și linii electrice. Magneții supraconductori pot crește eficiența generatoarelor de mare putere la 99,5%, deși pentru generatoarele convenționale ajunge deja la 98,6%. Economiile anuale de combustibil vor fi de 1%. Liniile electrice supraconductoare pot deveni viabile din punct de vedere economic numai dacă prin ele sunt transmise cantități mari de energie.
Stocarea energiei electrice. Dispozitivele de stocare a energiei supraconductoare răcite cu azot lichid ar costa cu 3% mai puțin decât dispozitivele convenționale de stocare a energiei, iar costurile totale de capital ar fi reduse cu încă 5%.
Trenurile cu levitație magnetică sunt cea mai promițătoare aplicație a supraconductorilor pentru trenurile de mare viteză. Costul construirii unei linii lungi de 500 km va costa 1,5 - 4,5 miliarde de dolari Costul trenurilor în sine nu va depăși 10% din costul total, iar sistemul de răcire este de doar 1%.
Temperaturi ultra-scăzute până la 10 -6 K au fost atinse în frigiderele magnetice folosind efectul magnetoelectric. Astfel de sisteme sunt importante pentru programele spațiale și de apărare.
Calculatoare și supraconductori. În viitor, un supercomputer poate fi creat pe HTSC cu o viteză de 1000 de ori mai mare decât cea a computerelor în curs de proiectare. Timpul de comutare pe joncțiunile Josephson (doi supraconductori separați de un strat subțire de dielectric) nu va fi mai mare de 10 -13 s pentru T cr=10K și 10 -14 s pentru material cu T cr=100K.
În 1962 G . B. Josephson a prezis teoretic efectul supraconductivității slabe, ceea ce servește drept confirmare că supraconductivitatea este un fenomen cuantic. Efectele Josephson, precum efectul de cuantificare a fluxului magnetic, arată că există un comportament coerent consistent și o corelație puternică de fază între purtătorii de curent supraconductor - perechile Cooper. Josephson a arătat că în experimentele de tunel cu structuri de peliculă superconductor-izolator-superconductor, ar trebui să se aștepte o scurgere a perechilor Cooper printr-un strat dielectric gros de 10-20 A, poate fi observată și atunci când un metal normal și un supraconductor sunt în contact printr-un strat subțire neconductor.
Există efecte Josephson staționare și non-staționare. La efect staționarîn absența unui câmp electric, un curent supraconductor trece prin dielectric dacă grosimea acestuia este de ordinul a unu până la doi nanometri. Aceasta înseamnă că Cooper împletește tunelul de la un electrod la altul fără a provoca o cădere de tensiune. Trecerea curentului de tunel în acest mod va avea loc până când densitatea acestuia depășește o anumită valoare critică, care este o caracteristică a contactului tunelului. Orice câmp magnetic afectează acest curent supraconductor și îl transformă la zero atunci când fluxul magnetic total în spațiul dielectric este egal cu un număr întreg de cuante de flux. F 0 . Curentul Josephson depinde de câmpul magnetic conform expresiei
|
|
(10. 2 9) |
Unde eu– curent, în funcție de proprietățile contactului și independent de câmp, Ф 0 – flux magnetic total în contactul tunelului.
Efectul Josephson non-staționar este că atunci când densitatea curentului continuu de tunel depășește o valoare critică, atunci la contact, pe lângă componenta constantă a tensiunii electriceV, apare și un curent alternativ de înaltă frecvență cu o frecvență unghiulară baghetă
|
(10.30) |
La o tensiune de contact de 1 mV, frecvența curentului alternativ Josephson este 4,85· 10 - 1 s - 1 , care corespunde unei radiații electromagnetice cu o lungime de undă de 600 microni. Experimentele lui Josephson cu supraconductori clasici au arătat că electronii se leagă în perechi Cooper și umplu o singură stare cuantică. Efectele Josephson sunt folosite în fabricarea instrumentelor. Pe baza lor au fost create magnetometre cu interferență cuantică.- SQUIDs (abreviere pentru primele litere ale numelui englezesc), folosite pentru a măsura câmpuri magnetice slabe de până la 10 - 15 T ca receptori de radiații cu microunde și o serie de alte dispozitive microelectronice și crioelectronice supraconductoare. SQUID-urile au fost create pe baza ceramicii HTSC care funcționează la 77 K. Utilizarea efectelor de joncțiune Josephson pentru produse computerizate supraconductoare de nouă generație și alte dispozitive electronice (SQUID) (detector de interferență cuantică supraconductoare) este promițătoare. Folosind un SQUID, puteți măsura căderi de tensiune de până la 10 -18 V, curenți de 10 -18 A (mai mulți electroni pe secundă) și câmpuri magnetice mai mici de 10 -14 Tesla. Nu există analogi pentru o astfel de sensibilitate. Noile supraconductoare permit reglarea frecvențelor până la 10-12 Hz (aproape de limita cuantică). Sensibilitatea dispozitivelor convenționale nu depășește 10 10 Hz. Aplicarea SQUID-urilor - magnetoencefalografie, elemente de memorie. SQUID-urile sunt folosite de fizicieni pentru a studia quarcii, monopolurile magnetice, gravitonii, de către geologi pentru a căuta petrol, apă, iar detectoarele sunt dezvoltate pentru a detecta submarinele.