Сверхпроводник
Сверхпроводни́к — это материал, электрическое сопротивление которого при понижении температуры до некоторой величины Tc становится равным нулю (сверхпроводимость). При этом говорят, что материал приобретает «сверхпроводящие свойства» или переходит в «сверхпроводящее состояние».
В настоящее время проводятся исследования в области сверхпроводимости с целью повышения температуры Tc (высокотемпературная сверхпроводимость). Максимально высокая температура существования сверхпроводимости была получена в 1993 году для вещества и составила .
История
В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К резко падает до нуля. При меньшей температуре сверхпроводник можно перевести в обычное (несверхпроводящее) состояние, приложив внешнее магнитное поле, напряжённость которого превышает некоторое пороговое или путём пропускания электрического тока, величина которого также превышает некоторое критическое значение . Потеря электрического сопротивления наблюдалась в экспериментах с незатухающими токами в сверхпроводящих кольцах в течение года. Ещё одно характерное свойство сверхпроводников было открыто в 1933 году Фрицем Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом и получило название идеальный диамагнетизм. Эффект вытеснения постоянного магнитного поля из массивного проводника при переходе его в сверхпроводящее состояние впоследствии получило имя Фрица Мейснера (т. н. эффект Мейснера). Братьями Ф. и Х. Лондонами в 1935 году были получены уравнения, определяющие электрические и магнитные поля в сверхпроводниках. Для объяснений свойств сверхпроводников была создана теория электронных пар Бардина, Купера и Шиффера (теория БКШ), а также Гинзбурга — Ландау (теория ГЛ). В 1955 году Алексей Абрикосов обосновал существование сверхпроводников II рода[1] показав, что переход от одного типа сверпроводников к другому происходит при .
Сверхпроводник наименьшего размера был создан в 2010 году на основе органического сверхпроводника (BETS)2GaCl4[2][3], где аббревиатура «BETS» означает бисэтилендитиотетраселенафульвален. Созданный сверхпроводник состоит всего из четырёх пар молекул этого вещества при общей длине образца порядка 3,76 нм.
Свойства сверхпроводников
В зависимости от свойств сверхпроводники делят на три группы:
- Сверхпроводники I рода;
- сверхпроводники 1.5 рода (существование подобного типа сверхпроводников находится под вопросом);
- сверхпроводники II (второго) рода.
На рисунке показана температурная зависимость критического поля от температуры , наглядно демонстрирующая разделение сверхпроводников и нормальных металлов.
Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля теплота перехода (поглощения или выделения) из сверхпроводящего состояния в обычное равна нулю, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода.
Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока. Из экспериментального наблюдения данного факта делается вывод о существовании незатухающих токов около поверхности сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.
Таблица сверхпроводников
В представленной ниже таблице перечислены некоторые сверхпроводники и характерные для них величины критической температуры (Tc) и предельного магнитного поля (Bc).
| Название материала | Критическая температура , К |
Критическое поле , Тл |
Год опубликования обнаружения сверхпроводимости |
|---|---|---|---|
| Сверхпроводники I рода | |||
| Pb (свинец) | 7,26[4] | 0,08[5] | 1913[4] |
| Sn (олово) | 3,69[4] | 0,031[5] | 1913[4] |
| Ta (тантал) | 4,38[4] | 0,083[5] | 1928[4] |
| Al (алюминий) | 1,18[4] | 0,01[5] | 1933[4] |
| Zn (цинк) | 0,88[5] | 0,0053[5] | |
| W (вольфрам) | 0,01[5] | 0,0001[5] | |
| Сверхпроводники 1.5 рода | |||
| Ведутся поиски по теоретической модели[6] | |||
| Сверхпроводники II рода | |||
| Nb (ниобий) | 9,20[4] | 0,4[5] | 1930[4] |
| V3Ga | 14,5[5] | >35[5] | |
| Nb3Sn | 18,0[5] | >25[5] | |
| (Nb3Al)4Ge | 20,0[5] | ||
| Nb3Ge | 23[5] | ||
| GeTe | 0,17[5] | 0,013[5] | |
| SrTiO3 | 0,2—0,4[5] | >60[5] | |
| MgB2 (диборид магния) | 39 | ? | 2001 |
| H2S (сероводород) | 203[7] | 72[7] | 2015[7] |
Применение
Сверхпроводники используются для создания сверхпроводящих магнитов, а также:
- Квантовый компьютер использует кубиты, основанные на сверхпроводниках.
- Сверхпроводники также используют для создания мощного магнитного поля, к примеру ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor; Международный экспериментальный термоядерный реактор), в котором сверхпроводники, создавая магнитное поле, удерживают высокотемпературную плазму, не давая ей контактировать со стенками реактора.
- Сверхпроводники используются в ЯМР-томографах (ЯМР — ядерный магнитный резонанс).
- Сверхпроводники используются в сверхмощных турбогенераторах КГТ-20 и КГТ-1000 на основе сверхпроводимости [8], [9], и при разработке сверхпроводящих электрических машин.
- Сверхпроводники используются в соленоидах сверхпроводящих магнитов.
- Сверхпроводники используются для изготовления сверхпроводящих проводов.
Примечания
Литература
- Тинкхам М. Введение в сверхпроводимость. — Москва : Атомиздат, 1980.
- Hirsch J.E., Maple M.B., Marsiglio F. Superconducting materials classes: Introduction and overview // Physica C: Superconductivity and its Applications. — 2015. — Vol. 514. — P. 1-8. — ISSN 09214534. — doi:10.1016/j.physc.2015.03.002.
- Hamlin J.J. Superconductivity in the metallic elements at high pressures // Physica C: Superconductivity and its Applications. — 2015. — Vol. 514. — P. 59-76. — ISSN 09214534. — doi:10.1016/j.physc.2015.02.032.
- White B.D., Thompson J.D., Maple M.B. Unconventional superconductivity in heavy-fermion compounds // Physica C: Superconductivity and its Applications. — 2015. — Vol. 514. — P. 246-278. — ISSN 09214534. — doi:10.1016/j.physc.2015.02.044.
- Kubozono Yoshihiro, Goto Hidenori, Jabuchi Taihei, Yokoya Takayoshi, Kambe Takashi, Sakai Yusuke, Izumi Masanari, Zheng Lu, Hamao Shino, Nguyen Huyen L.T., Sakata Masafumi, Kagayama Tomoko, Shimizu Katsuya. Superconductivity in aromatic hydrocarbons // Physica C: Superconductivity and its Applications. — 2015. — Vol. 514. — P. 199-205. — ISSN 09214534. — doi:10.1016/j.physc.2015.02.015.
- Griveau Jean-Christophe, Colineau Éric. Superconductivity in transuranium elements and compounds // Comptes Rendus Physique. — 2014. — Vol. 15. — P. 599-615. — ISSN 16310705. — doi:10.1016/j.crhy.2014.07.001.
- Черноплеков Н. А. Сверхпроводящие материалы в современной технике // «Природа», 1979.— № 4.
- Антонов Ю. Ф. , Данилевич Я.Б. Криотурбогенератор КТГ-20 : опыт создания и проблемы сверхпроводникового электромашиностроения. — Москва: Физматлит, 2013. — 600 с.
- Глебов И. А. Турбогенераторы с использованием сверхпроводимости. — Л.: Наука : Ленингр. отд-ние, 1981. — 231 с.
- Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. — Москва: Энергия, 1985. — 405 с.
- Гуревич А. В. Физика композиционных сверхпроводников. — Москва: Наука, 1987. — 240 с.
- Пан В. М. Металлофизика сверхпроводников. — Киев: Наук. думка, 1984. — 189 с.
