О. М. Царенко. Матеріалознавство й технологія конструкційних матеріалів

5.5. Надпровiднiсть та надпровідні матеріали   

Рис. 5. 12.

Надпровiднiсть - це властивiсть багатьох провiдникiв, яка полягає в тому, що їхній електричний опiр стрибкоподiбно спадає до нуля при охолодженнi нижче певної критичної температури Тк, характерної для даного матерiалу. Основна проблема у фiзицi надпровiдностi пов'язана з пiдвищенням температури переходу в надпровiдний стан, тобто в створеннi матерiалiв, у яких температура переходу в надпровiдний стан була б значно вищою вiд температури рiдкого азоту.

1911 р. голландський фiзик Х.Камерлiнг-Оннес уперше спостерiгав стрибкоподiбне зникнення опору ртутi при Т=4,15 К. Ртуть помiщалась у капiлярну трубку дiаметром 0,05 мм. При Т=4,15 К опiр ртутi, що вже зменшився до 0,002 Ro (Ro - опiр при 273 К), рiзко спадав до 10-6Ro, а при 1,5 К ставав меншим 10-9Ro. Бажаючи переконатись, що опiр дiйсно майже зникає, Камерлiнг-Оннес застосував оригiнальний метод. Вiн виготовив ртутне кiльце, помiстив його мiж полюсами магнiту, охолодив нижче 4,15 К i вимкнув магнiтне поле. У повнiй вiдповiдностi iз знаменитим законом електромагнiтної iндукцiї Фарадея у кiльцi почав циркулювати електричий струм. Якби ртуть мала нормальний опір, то цей струм зменшився б до нуля за долi секунди. Проте, протягом 2000 годин не вдалось зафiксувати найменшого затухання струму.

Подiбнi експерименти були проведенi Х.Камерлiнг-Оннесом i для iнших металiв, як Pb, Sn, Cd. А незабаром стало зрозумiлим, що за винятком таких Cu, Ag, Au, Pt, Li, Na, K, Ca, Sr, Ba, Fe, Co, Ni та деяких iнших, бiльша частина решти металiчних елементiв здатнi переходити у надпровiдний стан. Причому, для деяких iз них питомий опiр у надпровiдному станi стає < 10-20 Ом·см. Для порiвняння: питомий опiр найкращих провiдникiв струму - чистих Cu та Ag складає близько 10-9 Ом·см при температурi рiдкого гелiю. Деякi елементи, як Si, Ge, Bi, стають надпровiдниками при охолодженнi пiд тиском. Перехiд у надпровiдний стан спостерiгається i в декiлькох сот металевих сплавiв та сполук, а також в окремих сильнолегованих напiвпровiдникiв та у великої кiлькостi (сьогоднi вiдомо близько 1000) iнтерметалiчних сплавiв. Значення Тк майже для усiх вiдомих елементарних надпровiдникiв лежать у дiапазонi температур рiдкого гелiю та водню, тобто < 20,4 К.

Ще один важливий параметр, що характеризує властивостi надпровiдника - значення напруженостi критичного магнiтного поля Нк. 1914 року, Х.Камерлiнг-Оннес виявив, що надпровiдний стан руйнується магнiтним полем, коли напруженiсть поля перевищує деяке значення Нк. З'ясувалось, що Нк залежить вiд природи матерiалу та його температури. Причому, критичне магнiтне поле, яке руйнує надпровiдний стан, може бути створене й самим струмом у надпровiднику. Тому iснує критичне значення струму Iк, при якому надпровiднiсть зникає.

Внаслiдок багаторiчних дослiджень були одержанi матерiали, якi не втрачали надпровiдностi при значних густинах струму, що дало змогу виготовляти потужнi надпровiднi електромагнiти; але з'ясувалось, що пiдвищувати критичну температуру - це досить складна проблема. Лише 1973 року була одержана iнтерметалiчна сполука Nb3Ge, для якої температура надпровiдного переходу зросла до 23,2 К, що трохи вище температури кипiння рiдкого водню. 1986 року з'явилось повiдомлення спiвробiтникiв цюрiхського вiддiлку американської фiрми "Bell" Г. Беднорца та А. Мюллера про властивiсь керамiки на основi оксидiв мiдi, барiю та лантану переходити у надпровiдний стан при 30 К. Успiх начебто i невеликий, однак це вiдкриття мало принципове значення, оскiльки названi дослiдники першими звернули увагу на оксиди як на потенцiйнi надпровiдники.

Незабаром пiсля перших публiкацiй Беднорца та Мюллера з'явились повiдомлення iз лабораторiї "Веll" у Нью-Джерсi (США) про те, що сполука    CuLa1-xSrxO4 має температуру надпровiдного стану 35-37 К. Вимiрювання магнiтної сприйнятливостi цих зразкiв пiдтвердило, що не йдеться про зменшення опору, пов'язаного з якимись побiчними ефектами, а що сполука дiйсно має надпровiдний стан. Річ у тім, що, переходячи у надпровiдний стан, речовина стає iдеальним дiамагнетиком i повнiстю виштовхує iз свого об'єму зовнiшнє магнiтне поле (так званий ефект Мейснера). Саме ця властивiсть i спостерiгалась у нової сполуки. Почались iнтенсивнi пошуки аналогiв вiдкритої сполуки, легуючи її рiзними iонами. Незабаром грандiозного успiху добилися вченi групи спiвробiтникiв Х'юстонського унiверситету (США) на чолi з С. Чу. досягши температури надпровiдного стану 93 К. Це досягення одержало назву високотемпературної надпровiдностi.

Але перiод сенсацiй про вiдкриття надпровiдникiв iз все бiльш високою температурою переходу на цьому поки що й закiнчився. Серед матерiалiв, якi повнiстю i стабiльно виявляють надпровiднi властивостi, "рекордсменом" залишається iтрiй-барiєва керамiка з температурою переходу близько 100 К. Серед iнших керамiк, якi характеризуються частковою замiною iтрiю або барiю скандiєм, стронцiєм та iншими елементами, а кисню - фтором. Теоретично знайденi склади сполук, якi начебто повиннi виявляти надпровiднiсть при температурах 160 К, 240 К та бiльше.

У мiкроелектронiцi та обчислювальнiй технiцi новi надпровiдники можна застосовувати вже сьогоднi, бо тут не потрiбнi великi струми. Спроби використати надпровiдники в мiкроелектронiцi були й ранiше, розробленi були навiть окремi елементи (надпровiдний ключ, надпровiдний елемент пам'ятi - криотон), але широкому застосуванню заважала висока цiна охолодження до робочої температури. Сьогоднi ж, при вiдкриттi високотемпературної надпровiдностi, проблеми в охолодженнi до азотних температур немає. Бiльше того, це навiть корисно, оскiльки одночасово понижується рiвень шумiв.

З допомогою плiвкової технологiї надпровiднi ключi та криотони можна виготовити надзвичайно мiнiатюрними з високою густиною монтажу. Тому надпровiднi блоки пам'ятi будуть мати велику ємнiсть при досить скромних габаритах. 1991 року важливе вiдкриття зробили спiвробiтники Рочестерського унiверситету (США), виявивши, що по надпровiднiй лiнiї можна передавати без спотворення iмпульснi сигнали тривалiстю 10-15 пiкосекунд. Це вiдповiдає швидкостi передачi iнформацiї до 1011 бiт за секунду, що в десятки разiв перевищує можливостi оптичних лiнiй зв'язку.

Найближче практичне застосування високотемпературної надпровiдностi почнеться лише з промисловим випуском надпровiдних дротів. Річ у тім, що надпровiдна керамiка - досить крихкий матерiал. Найбiльш вiдоме на сьогоднi досягнення - це роботи фiрми Pacific Superconductors (США). 1993 року виготовленi гнучкi багатожильнi провiдники для магнiтних котушок та силових лiнiй довжиною близько 20 м, хоча окремi тонкi жили вже можна одержувати довжиною до 1 км. Цi провiдники мають товщину 0,9 та ширину 5,7 мм i мiстять 12 надпровiдних жил дiаметром 0,2 мм у мiднiй оболонцi. З допомогою надпровiдного пiдвiсу можна створити надшвидкiсну центрифугу, в якiй не буде тертя у пiдшипниках, оскiльки їх не буде конструктивно.

Рис. 5. 13.

Особлива увага до створення транспорту на основi магнiтної левiтацiї. Так, Росiя 1990 року планувала за японською технологiєю побудувати транспортну систему, яка з'єднала б центр Москви iз мiжнародним аеропортом "Шереметьєво". Це уможливило б поїздам рухатись зi швидкiстю бiльше 280 км/год. та зменшити час доставки пасажирiв iз 1,5 години до 15 хвилин. Але всi цi цiкавi речi стануть реально можливими, якщо вдасться розв'язати проблему великої густини струму. Тому найголовнiше завдання сьогодення - розвивати технологiю високотемпературних надпровiдникiв, навчитись одержувати надпровiдники високої якостi та надiйностi.

до наступної глави...

початок сторінки ] [ перехід до змісту ]