Надпровідність

Сверхпроводимость

Чуть понад десять років тому у засобах масової інформації стали згадуватися такі поняття, як «надпровідність », «високотемпературна надпровідність », «низько — температурна надпровідність «терміни, які раніше зазвичай вживали тільки фахівці - фізики. Повідомлялося про революційному науковому відкритті, про прорив у мікроелектроніці і наступі нової доби в технічному розвитку общества.

Почему приділялася тоді, і більше сьогодні, така увага явища, відомому вченим та фахівцям вже десятки років, але з яким більшість людності зіштовхувалися хіба що творах письменників-фантастів? У чому суть цього явища і які він обіцяє перспективи? Щоб ці запитання, звернемося до своєї історії відкриття надпровідність і пояснимо засадничі поняття, пов’язані з ним.

В 1911 г. голландський фізик Х. Камерлинг-Оннес, досліджуючи електричне опір ртуті за дуже низьких температурах, несподівано собі виявив, що з температурі, рівної 4,15 До (це приблизно — 2690С), опір зразка раптом різко впала нанівець, тоді як такі прекрасні провідники, як золото і мідь за ті самі температурах мали дуже мале, а цілком вимірне залишкове сопротивление (10−9 Ом*см). Це Камерлинг-Оннес назвав «надпровідність », а температуру Тс, при якої перехід із нормального в надпровідний стан, — «критичної «чи «температурою переходу » .

Некоторое час через виявили, що цей ж ефект простежується й у інших металах, наприклад, алюмінії, свинець, індії. З чистих металів найвищу Тс має ніобій: Тс (Nb)~10 К.

С часом вченими досягався подальше зростання критичних температур надпровідників. Щоправда, повільно, але досить постійними темпами (мал.1). І лише у 1973 р. був зареєстрований найвища Тс в сплаві ніобію з германием (NbGe) — 23,2 К.

.

В кінці 1986 р. світ облетіла сенсаційна звістку: вчені Ж. Бендорц і Ко. Мюллер, працюють у Цюріху у дослідницькій лабораторії відомої комп’ютерної фірми IBM, повідомили про зафіксованому ними різке падіння опору керамічного металлооксидного зразка Ba-La-Cu-O за нормальної температури 35К! Невдовзі надійшло підтвердження інших дослідників, зокрема російських, про спостереженні цього явления.

В перші дні березня 1987 р. набув розголосу новому чудовому відкритті: в Алабамском і Хьюстонском університетах групою М. До. Ву з працівниками на кераміці Y-Ba-Cu-O (так званої иттриевой керамике) была досягнуто температура сверхпроводящего переходу Тс~92 До, що значно вище температури кипіння рідкого азоту (77 До, чи -1960С), дешевого та найдоступнішої хладагента, виробленого промисловістю у великих количествах.

На сьогодні вже є матеріали, у яких температура переходу в надпровідний стан сягає 135 До, і немає підстав думати, що це вже предел.

Интерес до надпровідності прийняв масового характеру. У термінології фізиків з’явилися два поняття: «низькотемпературна надпровідність «(НТСП) і «високотемпературна надпровідність «(ВТСП). Авторам відкриття ВТСП Ж. Бендорцу і Ко. Мюллеру присуджували Нобелівська премия.

В перебігу багато років вважали, що надпровідний стан, насамперед, характеризується безкінечною провідністю. У 1933 р. німецькими фізиками Мейснером і Оксенфельдом було відкрито друге фундаментальне властивість надпровідників — ідеальний диамагнетизм. Ефект Мейснера (рис. 2) состоит в тому, що з охолодженні масивного надпровідника нижче від температури переходу відбувається виштовхування магнітного поля з товщі надпровідника зразка в навколишнє магнітне полі, отже всередині зразка (крім тонкого поверхневого шару завтовшки 100…1000 ангстрем) вона завжди одно нулю. Саме ці дві властивості - нескінченна провідність і ідеальний диамагнетизм — є головні характеристики сверхпроводимости.

.

Исследования відкрили ще одне важливий ефект. Якщо збільшувати напруженість магнітного поля, то, при деякою величині його Н=Нс, званої «критичне магнітне полі «, надпровідність стрибком зникає і живий взірець перетворюється на «нормальне «стан. Це ж відбувається за збільшенні струму, пропускаемого через надпровідник. Надпровідність руйнується при досягненні струмом критичної величини I=Ic.

Позднее було знайдено, що, залежно від виду взаємодії з магнітним полем надпровідники діляться на два типу: надпровідники 1-го роду — зазвичай, чисті метали і надпровідники 2-го роду, куди входить більшість сплавів, чистий ніобій і нововідкриті високотемпературні металлооксидные сверхпроводники.

Сверхпроводники 1-го роду, риса яких у тому, що вони цілком виштовхують магнітний потік зі свого обсягу, всі мають критичні магнітні поля нижче 100 мТл, цьому вони стрибком переходять із сверхпроводящего стану в нормальное.

У надпровідників ж 2-го роду, існування яких було вперше передбачено в 1952 р. однією з основоположників теорії надпровідності російським ученим А. А. Абрикосовим, при величині зовнішнього поля Н=Нс1 (перше критичне полі) реалізується змішане стан (рис. 3), у якому надпровідник хіба що пронизаний тонкими нитками чи цилиндриками (діаметром порядку 10 див), що перебувають з нормальної фази металу і орієнтовані полем М. Через кожну таку нитку («абрикосовский вихор ») на метал проникає рівно один квант потоку магнітного поля Фс.

.

Таким чином, зовнішнє магнітне полі присутнє в зразку, хоча у просторі між вихорами надпровідність зберігається, отже, опір зразка залишається рівним нулю. Зі збільшенням М число вихорів зростає, а відстань з-поміж них зменшується, тобто. зовнішнє полі хіба що стискує грати вихорів до тих пір, поки вони зіллються і станеться повна руйнація надпровідності при Н=Нс2 (друге критичне полі). Розмір Нс2 становить десятки Тле. Тільки після відкриття надпровідників 2-го роду, подолавши великі труднощі, інженери і технологи створили потужні магніти, що дозволяють отримати постійні поля напруженістю до 20 Тл.

Важными властивостями надпровідності є квантування магнітного потоку, а як і те, що надпровідність настає, коли електрони об'єднуються попарно.

Остановимся одному дивовижному ефект, що послужив підвалинами застосування надпровідників в систем зв’язку, в електроніці, інформатики, приладобудування. У 1962 р. Брайан Джозефсон, тоді ще студент-дипломник Кембриджського університету, буквально «на кінчику пера «передбачив чудове явище в надпровідниках. Маючи суто теоретичне аналіз, він дійшов висновку, що надпровідний струм, визначається парами електронів, може протікати, чи «туннелизировать «через плівку ізолятора, відділяють два надпровідника, якщо товща її незначна. Він передбачив два явища, які підтверджено експериментально і називаються тепер «ефектами Джозефсона », а область контакту двох надпровідників називають «джозефсоновским переходом ». З часом устрою з урахуванням джозефсонофских переходів знайшли щонайширший використання у надпровідникової електроніці, а сам Б. Джозефсон удостоївся Нобелівської премии.

Такой ефект спостерігається, якщо розрив між двома сверхпроводниками створити досить тонку прошарок з ізолятора, напівпровідника чи металу у нормальному стані або поєднати їхній дуже вузьким і коротким перешийком (плівковий місток чи точковий контакт), або завдати впоперек тонкої сверхпроводящей плівки вузьку смужку «нормального металу », словом, створити структуру з слабосвязанных надпровідників (рис. 4, а). Ефект, званий «стаціонарним ефектом Джозефсона », у тому, що струм, пропускаемый через перехід, тече не створюючи падіння напруги на переході, т. е. він містить сверхпроводящую компоненту. Якщо величина пропускаемого струму перевищує якусь критичну величину, перехід знаходить активне опір і индуктивность і, отже, у ньому виникає різницю потенціалів. Для цього випадку Джозефсон передбачив ще більше дивовижний ефект: у разі постійної напруги U через перехід повинен протікати високочастотний струм, випромінюючий електромагнітні хвилі із частотою кілька десятків і сотні гигагерц. Цей ефект зареєстрований пізніше й отримав назву «нестаціонарного ефекту Джозефсона » .

.

Обнаружение високочастотного випромінювання радіохвиль при нестационарном ефект Джозефсона відкрило широкі можливість її використання в радіоелектроніки. На практиці реалізувати такі устрою виявилося складно, оскільки надвисокочастотне випромінювання важко вивести назовні з переходу, який би в рідкому гелії, та й потужність випромінювання при цьому занадто низька — трильйонні частки вата. Однак на цей час джозефсоновские переходи успішно використовують як найчутливіших приймачів електромагнітного випромінювання в міліметровому і субмиллиметровом діапазонах довжин хвиль. З допомогою таких приймачів, встановлених на радиотелескопах, досліджується віддалені джерела радіовипромінювання Всесвіту. Вони застосування, зокрема, на радиотелескопах у Росії дозволили значно підвищити чутливість прийомних систем.

Уже створено приймальні устрою різного призначення. Так, радіоприймачі для радіоастрономічних і екологічних спостережень прямого детектування йдуть на реєстрації широкосмугового випромінювання, їх чутливість сягає однієї сотої До. Вони призначені переважно на допомогу пошуку та державній реєстрації об'єктів слабкого радіовипромінювання, таких, наприклад, як газопилові хмари, пов’язані з процесом формування зірок і планетних систем.

Когерентные радіоприймачі, до складу яких входять гетеродинные змішувачі і параметричні предусилители, служать в радіоастрономії прийому вузькосмугового випромінювання та призначені, наприклад, визначення молекулярних ліній. Найбільшого торгівлі поширення набули гетеродинные приёмники зі смесителями з урахуванням тунельних переходів СІС (надпровідник — ізолятор — сверхпроводник).

Сверхмалошумящие СІС — змішувачі, працюючі за нормальної температури рідкого гелію, найкращі вхідними пристроями буде в діапазоні 100…1000 ГГц. Їх шумове температура лише фундаментальним квантовим пределом.

В час такі приёмники працюють на радиотелескопах міліметрового діапазону по меншою мірою у обсерваторіях світу і служать щоб одержати цінних астрономічних данных.

Тонкоплёночные тунельні СІС — переходи сумісні коїться з іншими сверхпроводниковыми компонентами приёмника, изготавливаемыми з допомогою літографії. Фахівці Інституту радіотехніки і електроніки РАН (ІРЕ) створено, і проходить випробування повністю сверхпроводниковый інтегральний приймач субмиллиметровых волн (400…500 ГГц). У цьому вся приёмнике спільно працюють согласующие устрою, СІС — змішувач, генератор гетеродина на джозефсоновских переходах та інші сверхпроводящие елементи. Разом з Інститутом космічних досліджень Голландії в ІРЕ працюють по конструювання матриці таких приёмников розмірами 3×3 елемента, яку планують установити на європейському космічному радіотелескопі, планованому запуску в січні 2005 году.

Одно з найважливіших і дуже застосовуваних сверхпроводниковых пристроїв — надпровідний квантовий інтерференційний датчик (СКВИД), основу роботи якої лежать два фізичних явища: стаціонарний ефект Джозефсона і ефект квантування магнітного потока.

СКВИД, що з двох переходів, включённых паралельно й працюючих при постійному струмі усунення (див. рис. 4, б), називається СКВИД постійного струму (ПТ СКВИД).В зараз у електроніці набули найбільшого поширення ПТ СКВИДы, виготовлені за тонкоплёночной технологии.

Схема СКВИДа є замкнутий контур з надпровідника з чотирма висновками, службовцями на шляху подання струму і розв’язання, куди включені, два джозефсоновских перехода.

Характерная особливість СКВИДа у тому, що з зміні магнітного потоку, пронизуючого контур, напруга не вдома цього устрою періодично змінюється, причому період дорівнює кванту Ф0 магнітного потоку. Ця залежність дозволяє створити з урахуванням СКВИДов чувствительнейшие вимірювачі варіацій магнітного поля. З їхньою допомогою можна вимірювати практично будь-які фізичні величини, преобразуемые в магнітний потік, такі як напруженість магнітного поля, градієнт напруженості, електричний струм і непередбачуване напруження, магнітна схильність і усунення. Цим і пояснюється, що активні сверхпроводящие елементи, джозефсоновские переходи і СКВИДы, створювані з урахуванням НТСП і ВТСП, все ускоряющимися темпами проникають у сучасну радиоэлектронику.

На основі низькотемпературних (гелієвих) СКВИДов створено чувствительнейшие вольтметри і підсилювачі, шуми яких наближаються до квантовому межі. Надчутливі магнітометри, що вимірюють варіації магнітних полів з дозволом до 10 Тле — то це вже промислова, находящая широке використання у вимірювальної техніці. Наприклад, вказують виробляти виміру дуже малій магнітної сприйнятливості незначних кількостей речовини. З допомогою пристроїв на СКВИДах вдалося виміряти гранично малу сприйнятливість білків. Ці прилади використовувалися для виміру магнітного моменту зразків місячного грунта.

Другая важлива сферу застосування СКВИДов — геофізика. Тут використовуються при вивченні магнітних властивостей гірських порід. Вони дуже перспективні при розвідці нафтових джерел постачання та вивченні сейсмічної активности.

Остановимся трохи докладніше двома, що мають спільні риси областях застосування СКВИД — магнітометрів. Це безконтактне діагностування чоловіки й неживих об'єктів. СКВИД, як зовнішній зонд, може бути розміщений поблизу досліджуваного об'єкта, у разі не впливаючи нею і порушуючи його цілісності. Для виміру магнітних полів людини або за биомагнитных дослідженнях вже створюються многоканальные системи з урахуванням охлаждаемых гелієм СКВИДов. Вони застосовують у багатьох клініках світу для спостереження та аналізу магнітних полів, обумовлених серцевої діяльністю (магнитокардиограмма — МКГ), діяльністю м’язів (магнитомиограмма — ММГ), мозковий діяльністю (магнитоэнцефалограмма — МЕГ). Розміщаючи СКВИД — датчики поблизу черевної порожнини породіллі, можливо ознайомитися з серцебиттям плода.

Для дослідження діяльності мозку людини у Фінляндії розроблено «шоломи », що містять понад 120 СКВИД — датчиків. У Японії пройшла випробування 256-канальная система. І це — на низькотемпературних, охлаждаемых рідким гелієм СКВИДах! Під час створення таких систем, крім стандартних вимог до цих приладам — низького шуму, високу швидкість спостереження, довго тимчасової стабільності тощо., — одночасно вирішуються проблеми мініатюризації ланцюгів і охолоджуючих пристроїв, створення малоразмерной і дешевою електроніки, зменшення взаємовпливу каналів і що другое Открытие високотемпературних надпровідників і прогрес технології створення малошумящих СКВИДов, майбутніх за своїми характеристиками до низькотемпературним, але працюючих при азотном охолодженні, багато в чому спростили проблему впровадження в апаратуру тілі комутаційних комплексів. Дуже важливо, що тепер сталося перекриття діапазонів робочих температур сверхпроводниковых пристроїв. У результаті виникла можливість розробки гібридних пристроїв, відкриває принципово нові перспективи в систем зв’язку. Вже приёмниках станцій стільникового та персональної зв’язку, працівників частотах від 800 МГц до 2 ГГц, користуються супер — вузькосмугові сверхпроводящие фільтри з високотемпературних надпровідних плівок. Розроблені та випробовуються резонатори, мультиплексори, лінії затримки й інші пасивні елементи радіоелектроніки. Їх достоїнствами, проти елементами з не надпровідних матеріалів, є як низькі втрати, узкополосность, компактність і температурна стабільність. Наприклад, сверхпроводящие резонатори дають змогу одержувати значення добротності 1011 — це у мільйон разів більше, ніж у конструкціях з омеднёнными чи посеребрёнными стенками.

В останнім часом проявляється величезну цікавість до розвитку техніки, здатної уявити просторове зображення джерел магнітного поля. Основний мотив тут, звісно, бажання зрозуміти структуру і надасть динаміки магнітних вихорів як в низько-, і у високотемпературних надпровідниках. Прикладний інтерес пов’язані з отриманням магнітних зображень для біомедичних додатків і неруйнуючого контролю материалов.

Поэтому розвинулася нова сферу застосування СКВИД — магнітометрів — сканирующая СКВИД — мікроскопія. Тільки такий мікроскоп дає не оптичне зображення досліджуваного зразка, а магнітне, т. е. При переміщенні зразка щодо СКВИД — датчика реєструється величина магнітного потоку і визуализируются його просторові варіації від поверхні зразка. Оскільки СКВИДы — чувствительнейшие датчики магнітного потоку, те з їх допомогою можна досліджувати магнітні поля від мізерних обсягів речовини, наприклад, найтонших ферромагнитных і надпровідних плівок. Джерелами поля можуть є або мікроскопічні магнітні включення, або які відбуваються струми. Використовуючи мікроскоп з урахуванням гелиевого СКВИДа, який володіє просторовим розміщенням менш 10 мкм і чутливістю до магнітному потоку порядку 10−6 Фо, в дослідницьких лабораторіях фірми IBM отримані зображення як одиничних вихорів магнітного потоку, проникаючих в плівку надпровідника, і цілих ансамблей.

Примером практичного застосування азотного СКВИД — мікроскопа є сканування слабонамагниченных об'єктів, таких, наприклад, як спеціальні чорнило чи фарби на цінних бумагах.

Огромные перспективи відкривають сверхпроводниковые методи енергетики. У енергосистемі Женеви заробив першим у світі трёхфазный розподільний трансформатор, охлаждаемый рідким азотом, намотки якого виконані з ВТСП матеріалу. При значно менших втрати він понад компактний та майже удвічі легше традиційного трансформатора з мідної намоткой. Розроблювані ВТСП — токоограничители (прилади, обмежують струм короткого замикання) стали предметом реальної енергетики. Вже експлуатується такий устрій з урахуванням ВТСП — технології на одній з гідростанцій. Прилади з электромагнитами, виготовленими з ВТСП дроти, працюють у ряді учреждений.

Понятен все зростаючий інтерес до надпровідникової технологій і сверхпроводниковым матеріалам у комп’ютерної галузі техніки. Більше два десятиріччя ведуться робота зі створення сверхпроводниковых запам’ятовувальних пристроїв (ЗУ). Спочатку було запропоновано і вивчено найпростіше пристрій — кріотрон, що з танталовой дроту і ниобиевой котушки. У ньому реалізуються два стану надпровідний і резистивное, можливо переключення самого інше, т. е. кріотрон діє як найпростіший елемент пам’яті. Він простий за конструкцією і вирізняється малої розсіюваною потужністю, проте швидкодія його буде обмежено й становить 10−3…10−4с, що вочевидь замало сучасних обчислювальних машин.

Создание плёночных ЗУ дозволило збільшити їх швидкодія до 10−7с. Але це виявилося недостатнім сучасних ЕОМ. Тільки використовуючи низькотемпературні джозефсоновские переходи, удалося створити такі елементи пам’яті, час спрацьовування яких досягло порядку 10−10…10−11с, а енергія, що виділятимуться при переключенні, становила 10−17Дж. Розвиток тонкоплёночной надпровідникової технології дозволяє реалізувати високу щільність монтажу до порядку 10−5…10−6 елементів на платі. Отже є всі передумови для створення потужної ЕОМ з продуктивністю 1010 операцій на секунду і розсіюваною потужністю менше вата. І хоча шляху ще чимало невирішених проблем, але вже забариться той час, коли запрацює перша супер — ЕОМ на надпровідних елементах, зокрема і з ВТСП.

Работы у сфері надпровідності дали потужний імпульс інженерним і технологічним розробкам і викликали пожвавлення над ринком сверхпроводниковых матеріалів і пристроїв. На семінарі у Х’юстоні, в 1977 р., присвяченому високотемпературної надпровідності, заявив, таке десятиліття стане декадою завоювання ринку з перспективою мільйонних доларових доходів від продажу надпровідних устройств.

Таким чином, фундаментальні дослідження надпровідності сприяли розвитку нової області техніки — прикладної надпровідності, стало однією з провідних чинників науково — технічного прогресса.

Список литературы

Журнал «Радіо «1998 р. № 10,№ 11.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.