Высокотемпературная сверхпроводимость: история открытия, физика явления и перспективы использования

Обновлено: 24.04.2024

Открытие в конце 1986 года нового класса высокотемпературных сверхпроводящих материалов радикально расширяет возможности практического использования сверхпроводимости для создания новой техники и окажет революционизирующее воздействие на эффективность отраслей народного хозяйства.

Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто в 1911 году, однако практическое использование этого явления началось в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений. В связи с тем, что критические температуры этих материалов не превышали 20 К, все созданные сверхпроводниковые устройства эксплуатировались при температурах жидкого гелия, т.е. при 4-5 К. Несмотря на дефицитность этого хладоагента, высокие энергозатраты на его ожижение, сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции по целому ряду направлений началось практическое использование сверхпроводимости. Наиболее крупномасштабными применениями сверхпроводников явились электромагниты ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок, МГД-генераторов. Были созданы опытные образцы сверхпроводниковых электрогенераторов, линий электропередачи, накопителей энергии, магнитных сепараторов и др. В последние годы в различных капиталистических странах началось массовое производство диагностических медицинских ЯМР-томографов со сверхпроводниковыми магнитами, потенциальный рынок которых оценивается в несколько млрд. долларов.

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 - вплоть до комнатной. Так, со времени открытия этого явления критическая температура повышена с 30 - 130 К.

Государственная научно-техническая программа предусматривает широкий комплекс работ, включающих в себя фундаментальные и прикладные исследования, направленные на решение проблемы технической реализации высокотемпературной сверхпроводимости.

В соответствии со структурой программы главными направлениями работ являются:

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ И СВОЙСТВ ВТСП.

Основными задачами этого направления являются фундаментальные исследования по выяснению механизма высокотемпературной сверхпроводимости, разработка теории ВТСП, прогнозирование поиска новых соединений с высокими критическими параметрами и определение их физико-химических свойств.

2. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА ВТСП МАТЕРИАЛОВ.

По данному направлению будут проводиться 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.

3. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВТСП МАТЕРИАЛОВ.

Главными задачами исследований по данному направлению являются 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.

4. СЛАБОТОЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВТСП.

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

В рамках программы предполагается разработка и освоение серийного производства трех классов электронных сверхпроводниковых приборов:

- 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.

5. СИЛЬНОТОЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВТСП.

Применение ВТСП в сильноточной технике будет иметь наиболее радикальные экономические последствия для народного хозяйства.

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 (10х9-10х10 А/м2) 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.

Так, при передаче по кабельным линиям электропередач мощностей свыше 20 млн. кВт на расстояние свыше 2000 км ожидается снижение электрических потерь на 10%, что соответствует сбережению от 7 до 10 млн. т.у.т. в год. При этом приведенные затраты на сверхпроводящую кабельную ЛЭП могут быть не больше, чем на высоковольтную ЛЭП традиционного исполнения. Синхронные сверхпроводящие генераторы для ТЭС, АЭС и ГЭС будут иметь на 0,5-0,8% более высокий КПД и на 30%

меньшие весогабаритные показатели. Предполагается создание сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии, которые по сравнению с гидроаккумулирующими станциями, единственным типом накопителей энергии, нашедшим промышленное применение в энергетике, будут обладать существенно более высоким КПД (до 97-98% вместо 70%). В рамках программы предполагается создание широкой гаммы электротехнических и электроэнергетических устройств, при этом масштабы суммарной экономии электроэнергии за счет массового применения ВТСП будут столь велики, что позволят радикальным образом пересмотреть сложившуюся экстенсивную стратегию развития топливно-энергетического комплекса.

Согласно структуре программы, предусматривается разработка и выпуск сверхпроводящих устройств и систем, создание которых экономически и технически целесообразно на основе традиционных гелиевых сверхпроводников. Это сверхпроводящие сепараторы, ЯМР-томографы, магнитные системы для удержания плазмы в ТОКОМАКах и ускорителях заряженных частиц и др. Создание таких систем кроме реального экономического эффекта от их внедрения заложит необходимую техническую и технологическую основу для быстрого перехода на ВТСП по мере создания технологичных ВТСП проводников.

6. КРИОСТАТИРОВАНИЕ.

Поскольку несмотря на значительное повышение критических температур новых сверхпроводящих материалов их абсолютное значение остается на уровне криогенных температур, одним из важнейших направлений исследований и разработок является создание высокоэкономичных, надежных автоматизированных ожижительных и рефрижераторных азотных установок, систем криостатирования для конкретных сверхпроводящих изделий, а также поиск принципиально новых методов получения холода в диапазоне рабочих температур ВТСП.

Предусматривается создание систем диагностики и контроля параметров криостатирующих устройств.

Кроме того, для изделий и систем, создаваемых на основе традиционных сверхпроводников, будут разработаны и изготовлены гелиевые установки нового поколения с высокими технико-экономическими показателями.

7. ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТ ПО ПРОГРАММЕ ВТСП.

В рамках этого направления предусматривается проведение широкого комплекса работ по научно-техническому прогнозированию и технико-экономическому обоснованию применения ВТСП, разработка и внедрение автоматизированных информационных систем, создание баз данных по ВТСП. Кроме того будет осуществляться комплексная программа подготовки и переподготовки кадров различной квалификации для работ по проблематике ВТСП.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.

Явление сверхпроводимости был открыто в 1911-м году голландским физиком и химиком Хейке Камерлинг-Оннесом. Изначально сверхпроводники имели очень ограниченное применение , поскольку их рабочая температура не должна была превышать 20К (-253°C).

Сверхпроводящее состояние, в котором электрическое сопротивление вещества равно нулю, разрушается, если температура оказывается выше так называемой критической.

Так, например, температура жидкого гелия в 4,2К (-268,8°C) хорошо подходит для работы сверхпроводника, но для охлаждения и поддержания такой низкой температуры требуется затратить много энергии, что технически весьма проблематично.

В апреле 1986 г. в журнал физического общества «Zeitschrift fur Physik» поступила статья швейцарских ученых Герога Беднорца и Карлоса Мюллера, в которой сообщалось об открытии нового класса сверхпроводников — керамик из лантана, бария, меди и кислорода. Эта работа сравнительно быстро привлекла внимание физиков и химиков из многих лабораторий мира.

Создание новых сверхпроводящих керамик и изучение их свойств подобно «золотой лихорадке» охватило ведущие исследовательские центры уже в конце 1986 г. Сенсационные результаты, возбуждавшие фантазию не только специалистов, но и широкой общественности, следовали друг за другом и, наконец, в феврале 1987 г. в США были синтезированы первые высокотемпературные сверхпроводники (High-temperature superconductors).

До этого открытия максимальное значение критической температуры составляло 23,2 К. Этот рекорд принадлежал соединению NbaGe (сплав ниобий-титан) и был достигнут в 1973 г. (Исторически первым сверхпроводником была ртуть, для которой критическая температура примерно 4 К.)

Высокотемпературные сверхпроводники, открытые Мюллером и Беднорцем, показали критическую температуру значительно выше, и температуры жидкого азота в 75К (-198°C) таким проводникам вполне достаточно для работы. Кроме того, азот значительно дешевле гелия в качестве хладагента.

Изучение и применение сверхпроводимости связано с необходимостью получения низких температур. Достигается это путем охлаждения вещества криогенными жидкостями. Наиболее низкие температуры получают с помощью жидкого гелия. При атмосферном давлении он кипит при 4,2 К.

Однако гелия мало, он дорог, а его использование требует сложного и тоже дорогостоящего оборудования. Наиболее удобная для практики криогенная жидкость — жидкий азот. При атмосферном давлении температура кипения его составляет 77 К. Ожижение азота производится непосредственно из воздуха, а испаряющийся в процессе кипения газ вновь уходит в атмосферу.

С этими обстоятельствами и связаны многолетние надежды физиков и инженеров — получить сверхпроводники с критической температурой, большей 77 К. Именно такие материалы можно назвать высокотемпературными сверхпроводниками.

Доктор физико-математических наук Р. Г. Минц

Открытие в 1987 году «скачка проводимости почти до нуля» при температуре 36К (-237°C) у соединений лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) стало началом. Затем впервые было открыто свойство соединения иттрия, бария, меди и кислорода (Y—Ba—Cu—O) проявлять сверхпроводящие свойства при температуре 77,4К (-195,6°C), превышающей температуру кипения жидкого азота.

Столь резкий и быстрый рост критической температуры свидетельствовал о том, что достигнутые результаты не предел. Исследования интенсивно продолжались во всех ведущих центрах.

В 2003 году открыли керамическое соединение Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), имеющее критическую температуру 138К (-135°C), и доходящую до 166К (-107°C) при давлении 400 кбар, а в 2015 году был установлен новый рекорд для сероводорода (H2S), который стал сверхпроводником при давлении в 100 ГПа, при температуре не превышающей 203К (-70°C).

Сверхпроводимость как физическое явление, впервые на микроскопическом уровне, была объяснена в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера еще в 1957 году.

В основу их теории была положена концепция о так называемых куперовских парах электронов, а сама теория получила название теории БКШ, по первым буквам фамилий ее авторов, и по сей день эта макроскопическая теория сверхпроводников является доминирующей.

Согласно этой теории, состояния электронов куперовских пар коррелируют с противоположными спинами и импульсами. Вместе с тем, в теории использовались так называемые преобразования Николая Боголюбова, показавшего, что сверхпроводимость можно рассматривать как процесс сверхтекучести электронного газа.

Вблизи поверхности Ферми электроны могут эффективно притягиваться, взаимодействуя между собой посредством фононов, причем притягиваются лишь те электроны, энергия которых отлична от энергии электронов на поверхности Ферми не более чем на величину hVd (здесь Vd - Дебаевская частота), а остальные электроны не взаимодействуют.

Взаимодействующие электроны и объединяются в куперовские пары. Эти пары обладают некоторыми, характерными для бозонов, свойствами, а бозоны при охлаждении могут переходить в одно квантовое состояние. Таким образом, благодаря этой особенности, пары могут двигаться, не сталкиваясь ни с решеткой, ни с другими электронами, то есть куперовские пары движутся без потерь энергии.

Практически, высокотемпературные сверхпроводники обеспечивают передачу электроэнергии без потерь, что делает их внедрение и применение в будущем полезным и эффективным.

Представьте, что по проводам, обмоткам двигателей, линиям электропередач ток идет практически без потерь. А ведь сегодня до 40 % электроэнергии уходит на «обогрев» атмосферы.

Использование сверхпроводимости в измерительной аппаратуре, в сверхчувствительных приборах даст совсем иную по точности картину процессов, протекающих в веществе и живых организмах. Например, магнитограмма, снимаемая при помощи сверхпроводящих приборов, будет содержать гораздо более полную картину болезни, чем сегодняшняя кардиограмма. Другими словами — это завтрашний день медицины.

Можно предвидеть крупные изменения и в электронике с выделением в ней новой отрасли науки и техники — сверхпроводящей электроники.

Уже существуют проекты сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии для создания аккумулирующих мощностей в масштабах энергосистем. Разрабатываются криогенные линии электропередач на постоянном и переменном токе.

Криогенные магнитные системы могут находят применение в скоростном транспорте на магнитной подвеске и во многих других областях науки и техники.

Силовые кабели, трансформаторы, электрические машины, индуктивные накопители энергии с неограниченным сроком ее хранения, ограничители тока и т.п., - всюду в электротехнике применимы высокотемпературные сверхпроводники.

Габариты будут уменьшены, потери будут снижены, эффективность производства, передачи и распределения электрической энергии в целом повысится. Трансформаторы будут иметь меньшую массу и очень низкие потери, по сравнению с трансформаторами, обладающими обычными обмотками. Сверхпроводящие трансформаторы будут экологически безопасными, их не нужно будет охлаждать, а в случае перегрузки ток будет ограничен.

Сверхпроводящие ограничители тока менее инерционны. При включении накопителей энергии и сверхпроводящих генераторов в электрические сети, повысится их стабильность.

Электроснабжение мегаполисов будет осуществляться посредством сверхпроводящих подземных кабелей, которые смогут проводить в до 5 раз больший ток, а прокладка таких кабелей позволит значительно экономить городские площади, поскольку кабели будут более компактными по сравнению с применяемыми сегодня.

Расчеты показывают, что, например, построение ЛЭП на 1ГВт при напряжении 154 кВ, если использовать сверхпроводящие кабели, обойдется на 38% дешевле, чем если бы это было реализовано по стандартной технологии. И это с учетом конструирования и монтажа, ведь число требуемых нитей меньше, соответственно общее количество кабеля меньше, и внутренний диаметр кабелепроводов также меньше.

Примечателен тот факт, что по сверхпроводящему кабелю можно передать значительную мощность и при низком напряжении, снизив электромагнитное загрязнение окружающей среды, а это актуально для густонаселенных районов, где прокладка высоковольтных линий порождает беспокойство, как среди экологов, так и у общественности.

Перспективно внедрение высокотемпературных сверхпроводников и в сферу нетрадиционной энергетики, где экономичность выступает отнюдь не второстепенным фактором, и применение здесь сверхпроводников повысит эффективность новых источников энергии. Тем более, уже на ближайшие 20 лет, имеет место устойчивая тенденция к их быстрому развитию в мире.

Сопротивление проводника зависит от температуры. При нагревании металлов, сопротивление увеличивается, при охлаждении сопротивление уменьшается. При стремлении температуры проводника к нулю, может появиться явление, которое называется сверхпроводимость.

История открытия

Открытие сверхпроводимости принадлежит голландскому физику Х.Камерлингу-Оннесу. Он охлаждал ртуть в жидком гелии. Сначала сопротивление плавно уменьшалось, а потом, по достижении какой-то определенной температуры, сопротивление резко упало до нуля. Это явление было названо сверхпроводимостью.

Однако, объяснить суть явления сверхпроводимости смогли лишь в 1957 г. Оно дается на основе квантовой теории. С огромным упрощением, сверхпроводимость можно объяснить следующим образом: электроны объединяются в шеренги и двигаются, не сталкиваясь с кристаллической решеткой. Это движение совсем не похоже на обычное хаотичное тепловое движение.

В 1986 г. помимо низкотемпературной сверхпроводимости, была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Создали сложные соединения, которые переходят в состояние сверхпроводимости при температуре 100 К.

Свойства сверхпроводников

Критической температурой называют температуру, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние. Явление сверхпроводимости возникает в металлах и их сплавах при очень низких температурах (примерно 25 К и ниже). Существуют справочные таблицы, в которых указываются критические температуры некоторых веществ.
Так как сопротивление в сверхпроводимости отсутствует, следовательно, не происходит выделения тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется.
Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле. А магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля.
При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах. Если эту задачу удастся решить, то будет решена одна из важнейших технических проблем - передача энергии по проводам без потерь.

Перспективы

Высокотемпературная сверхпроводимость - это очень перспективная область исследований, которая впоследствии может привести к новой технической революции в электронике, электротехнике и радиотехнике. Согласно последним данным в этой области, максимальная критическая температура сверхпроводимости, которую удалось достигнуть, равняется 166К.

Мы постепенно приближаемся к открытию материалов, которые будут являться сверхпроводящими при комнатных температурах. Это станет прорывом в мире техники. Электроэнергию можно будет передавать на любые расстояния без потерь.

Читайте также: