Физика/ 2. Физика твёрдого тела.

Учитель физики высшей квалификационной категории Онькова О.В.

МКОУ «Сокурская СОШ» Мошковского р-на Новосибирской обл., Россия

Мечта становится реальностью:  высокотемпературная сверхпроводимость.

Появляющиеся  в научных журналах сообщения из области сверхтемпературной проводимости продолжают оставаться сенсационными, так как вызывают огромный интерес в научном мире. Заглянем ненадолго в историю. Дело в том, что со дня открытия нидерландским физиком Х.Камерлинг-Оннесом в 1911 году сверхпроводимости, как явления, заключающегося в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры,  и до 1987 года  она наблюдалась только при очень низких температурах. До 1986 года самым высокотемпературным  сверхпроводником  был сплав ниобия с германием, критическая температура которого   равна  23,2 К, а для одной из его модификаций, исследованных в ФИАНе,  было получено значение 23,9 К. Все многочисленные попытки получить сверхпроводящее  состояние при более высоких температурах оставались безрезультатными. Поэтому, сообщение в апреле 1986 года о том, что сотрудникам швейцарского отделения (г. Цюрих) одной из американских компаний ДЖ. Беднорцу и К. Мюллеру удалось получить  сверхпроводимость  в  металлокерамике состава  лантан – барий – медь – кислород при 30 К (за это открытие в 1987 г. им была присуждена Нобелевская премия) ,  сначала было воспринято скептически.  Подобного  рода известия (о получении сверхпроводимости при более высокой, чем 24 К, температуре) появлялись и ранее,  однако экспериментального подтверждения в ведущих научных центрах не получали.   Но уже  через  несколько месяцев последовала новая информация: группе американских физиков, возглавляемых  С. Чу, удалось создать сверхпроводящую керамику  составом лантан – стронций – медь – кислород при температуре около 40 К. Этот результат был подтверждён в научных центрах мира и способствовал активизации поисков ученых.

Физические  лаборатории многих государств кинулись изготавливать  металлокерамические  проводники и исследовать температурную зависимость их сопротивления, а также выталкивание ими внешнего магнитного поля (эффект Мейснера), наличие которого также свидетельствует  о состоянии сверхпроводимости.

Открытие  Карла  Мюллера  и Георга  Беднорца   дало сильный рывок исследованиям в данной области и уже через семь лет рывок в 100 К:  с 30 К до 130 К (165К под давлением). На данный момент рекордным значением 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 165 К [1].

Находка ДЖ. Беднорца и К. Мюллера открыла путь для мечты о технологической революции огромных масштабов, опирающейся на возможное существование материалов, которые обладали бы сверхпроводимостью при комнатной температуре. С тех пор прошло много лет, но физики до сих пор преследуют эту мечту, ибо реализовать ее на практике оказалось сложнее, чем ожидалось. Лучшие из полученных на настоящий момент материалов  сохраняют сверхпроводимость лишь при температуре ниже 140  К, что делает невозможным их массовое применение. Кроме того, мешает их распространению и высокая стоимость. 

Кроме того, последние годы ходят разговоры о «волшебных» метаматериалах, которые могут сделать возможным такой эффект, как невидимость. Российская школа теоретической физики, одним из основателей которой стал великий Ландау, дала науке немало значимых работ, как в области сверхпроводимости, так и по метаматериалам [4].

Сегодня сверхпроводимость нашла своё применение и в транспорте (монорельсы), и в медицине (различные датчики, снимающие магнитокардиограммы и магнитоэнцефалограммы), и при производстве гигантских ускорителей, и при постройке экспериментальных термоядерных реакторов [5]. Несомненно, что использование сверхпроводимости будет в ближайшие годы расширяться - взять хотя бы квантовые компьютеры, в которых без сверхпроводимости не обойтись.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура которых с запасом превышает температуру кипения жидкого азота, принципиально меняет экономические показатели сверхпроводниковых устройств, поскольку стоимость хладоагента и затраты на поддержание необходимой температуры снижаются в 50 - 100 раз. Кроме того, открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сняло теоретический запрет на дальнейшее повышение критической температуры с 30°K - вплоть до комнатной.

Научно-технические программы ведущих стран предусматривают широкий комплекс работ, включающих в себя фундаментальные и прикладные исследования, направленные на решение проблемы технической реализации высокотемпературной сверхпроводимости [6].  В их число входят такие работы, как:

ü     фундаментальные исследования по выяснению механизма высокотемпературной сверхпроводимости, разработка теории ВТСП, прогнозирование поиска новых соединений с высокими критическими параметрами и определение их физико-химических свойств;

ü     исследования влияния высоких давлений, механических и тепловых воздействий, ионизирующих излучений, электромагнитных полей и других внешних факторов на свойства ВТСП материалов и выработка рекомендаций по вопросам создания ВТСП материалов с оптимальными технологическими и техническими характеристиками;

ü     разработка теоретических основ получения высокотемпературных сверхпроводящих материалов с заданными свойствами, синтез новых материалов с необходимыми для технической реализации параметрами, разработка технологий получения высокотемпературных сверхпроводников заданных технических форм. Ключевыми вопросами этого направления и всей программы в целом является создание технологичных и стабильных тонкопленочных структур, приемлемых для реализации в слаботочной технике, и особенно сильноточных токонесущих элементов в виде проводов, лент, кабелей и др. для использования в сильноточной технике;

ü     создание конкретных технических изделий на основе ВТСП материалов. Это  наиболее реально именно в слаботочной технике, т.е. в микроэлектронике и вычислительной технике;

ü     применение ВТСП в сильноточной технике. В этом плане оно будет иметь наиболее радикальные экономические последствия практически для всех отраслей промышленности.  Это направление включает в себя создание электроэнергетических устройств и систем, вырабатывающих, передающих и преобразующих электроэнергию в промышленных масштабах. Основой этого направления является способность сверхпроводников нести без потерь высокие плотности (несколько кА/мм2) транспортного тока в сильных магнитных полях при температурах ниже критической. Это свойство сверхпроводников позволяет создавать электроэнергетическое оборудование различного назначения с улучшенными массогабаритными характеристиками, более высоким КПД и значительно (в десятки раз) сниженными эксплуатационными расходами.

Ученые предполагают, что со временем высокотемпературные сверхпроводники, с которыми проще и дешевле работать, будут  активнее входить в нашу жизнь.

 

Литература:

1.     http://www.referatbank.ru/referat/preview/15571/kursovaya-vysokotemperaturnaya-sverhprovodimost.html

2.     http://xreferat.ru/102/2514-1-sverhprovodniki-doklad.html

3.     http://xreferat.ru/102/2140-1-tvierdost-sverhprovodimost.html

4.     http://ria.ru/studies/20131214/983870674.html

5.     http://elementy.ru/lib/13

6.     http://www.bourabai.kz/toe/superconductivity.htm

7.      http://femto.com.ua/phys_world/phys_world-0036.html

8.     http://www.news.elteh.ru/arh/2005/31/04.php

9.     Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников. Под. ред. Д.М.Гинзберга. М: «Мир», 1990, 544 С.

10. 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.

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