Материал: История становления и развитие научных исследований в области сверхпроводимости

История становления и развитие научных исследований в области сверхпроводимости

Оглавление

Введение

. Понятие и открытие сверхпроводников

. Эффект Мейснера

. Высокотемпературная сверхпроводимость

. Сверхпроводящий бум

. Применение сверхпроводящих материалов

Заключение

Список использованных источников

Введение

В электротехнике все вещества по электропроводности можно разделить на четыре группы - диэлектрики, полупроводники, проводники и сверхпроводники.

Диэлектрики - это вещества, которые существенно препятствуют протеканию через них электрического тока ввиду высокого удельного сопротивления, часто превышающего 108 Ом·м. Полупроводники - это вещества, удельное сопротивление которых зависит от внешних условий, например, флюктуаций температуры, изменений интенсивности облучения световым потоком и прочего. Проводники - это материалы, которые почти не препятствуют протеканию по ним электрического тока благодаря низкому удельному сопротивлению, обычно не превышающему 10-5 Ом·м.

Сверхпроводники - это материалы, в которых при охлаждении до некоторой критической температуры резко уменьшается удельное сопротивление до нуля, а также благодаря своим свойствам способны выталкивать магнитное поле из своего объема.

В электроэнергетике существует большая проблема - на пути передачи электроэнергии возникают значительные потери электрической мощности, причем с увеличением расстояния передачи, эти потери растут. Огромной практической ценностью сверхпроводников является в отсутствии в них потерь электрической энергии при протекании электрического тока.

Конечно, для их широкого применения необходимо решить множество важных задач, одной из основных является то, что сверхпроводящее состояние возникает при достаточно низкой температуре. Для большинства веществ критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние близка к абсолютному нулю. Долгое время сверхпроводники можно было использовать только при температуре жидкого гелия (-268,8 °С), что позволило создать ускорительное оборудование и магнитно-резонансные томографы. Однако в полной мере использование их свойств не представляло возможным. Конечно с открытием Камерлиг-Онесса в 1911 году сверхпроводников научный мир достиг многого, но наиболее важным событием, является открытие высокотемпературной сверхпроводимости на основе купратов, открытых Карлом А. Мюллером и Йхоннесом Г. Беднерцом. Благодаря их открытию сверхпроводимости, главными компонентами которой являются медь-кислород, критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние достигла -108 °С, что позволило ученым расширить круг применения явления сверхпроводимости.

В данной работе рассматривается история становления и развитие научных исследований в области сверхпроводимости, а также рассмотрены вопросы - как и в какой степени возможно использование явления сверхпроводимости.

. Понятие и открытие сверхпроводников

Сверхпроводимость - это особое свойство вещества обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижение данного материала определенной, так называемой, критической температуры. С другой стороны, сверхпроводимость можно рассматривать как квантовое явление, которое характеризуется эффектом Мейснера [1-2].

Из определения сверхпроводимости возникает вопрос, а при какой же температуре материал может перейти в сверхпроводящее состояние. Известно, что Уильям Том Кельвин проектируя свою шкалу писал о необходимости ее создания для определения нулевой точки, которая будет соответствовать абсолютному нулю - предельной степени холода (то есть создание той отметки температуры ниже которой не существует) [3]. Ценой деления данной шкалы оставался градус Цельсия. Перерасчет для данной шкалы являлся достаточно простым и понятным:

До определенного времени ученые не могли получить такие низкие значения температуры. Открытие Хейке Камерлинг-Оннеса в 1908 году жидкого гелия, позволило ему достичь рекордно низкой температуры 0,9 К [4-5]. Но его основной целью на тот момент не было достичь абсолютного нуля, для него было важно изучение свойств материалов при сверхнизких температурах, в том числе исследование вязкости сжиженных газов, спектры поглощения элементов и магнитные свойства веществ.

В 1911 году его основным направлением стало исследование электрического сопротивления сверхчистых металлов при очень низких температурах. До этого времени не было известно, как будет меняться электрическое сопротивление материалов, при сверхнизких температурах. Существовали некоторые прогнозы о том, что электрическое сопротивление будет линейно уменьшаться при достижении температуры нуля, будет оставаться постоянной при достижении какого-то уровня сопротивления или начнет увеличиваться в какой-то момент из-за механизмов рассеяния электронов. Многие ученые все же склонялись к мнению, что при очень низких температурах металлы должны стать диэлектриками. То есть свободные электроны настолько замедлят свое движение, что «приклеятся» к ионам и не смогут переносить электричество. Сам же ученый сделал предположение, что сопротивление должно стремиться к нулю, потому что ионы прекращают колебательное движение и «не мешают» двигаться свободным электронам. Понимая, что в таком материале, как платина есть малые примеси, он решил проверить ртуть, самый очищенный металл, который у него был. Камерлинг-Оннес произвел измерение электрического сопротивления чистой ртути. 8 апреля 1911 года группа Хейке Камерлинг Оннеса, с ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом проверяли работу нового криостастата (устройство для поддержания низких температур в данном объеме). Сначала было принято решение только заправить жидким гелием, но потом был установлен газовый термометр и два образца из золота и ртути для измерения их удельного электрического сопротивления. Измерив электрическое сопротивление материалов при температуре 4,3 К, решили уменьшить давление в криостате над гелием, но это привело лишь к отрицательным результатам - гелий начал быстро испаряться, и его температура снизилась до 3 К. Эксперимент длился уже 9 часов, и можно уже было сделать выводе о его неудаче. Однако при повторном измерении электрического сопротивление ртути, его значение оказалось равным нулю.

В тот день определенного значения критической температуры перехода ртути в сверхпроводящее состояние так и не смогли выяснить (экспериментальная группа пока не решилась ставить себе такую задачу). Однако уже через некоторое время в эксперименте 11 мая Камерлинг-Оннес и его команда сумели выявить температуру перехода ртути в сверхпроводящее состояние. Построенная функция изменения электрического сопротивления ртути от температуры позволила выявить, что электрическое сопротивление ртути резко упало при достижении температуры 4,2 К. На рисунке 1 представлено воспроизведение зависимости электрического сопротивления от температуры для чистой ртути, полученное Камерлинг-Оннесом [6-8]. Проведя данный эксперимент, он понял, что ниже температуры 4 К ртуть перешла в новое состояние, которое он назвал как «супрапроводимость». Никто не смог предсказать, что в результате опытов он получит замечательный, уникальный феномен, который не оставляет в покое ученых и по сей день.

Рисунок 1 - Воспроизведение оригинальной полученной зависимости электрического сопротивления ртути от температуры

За исследования «свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия» Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике [8]. Данные результаты позволили открыть новый класс проводников, которые назвали как сверхпроводники.

Открытие уникальных свойств материалов - переходить в сверхпроводящее состояние при достижение определенной температуры радикально повлияло на научный мир. Однако оставалось много вопросов - существуют ли материалы, у которых температура перехода в сверхпроводящее состояние намного выше, и вообще, как можно использовать на практике данное состояние вещества.

Кроме введения такого понятия как «сверхпроводник», для данных материалов было выделено еще одно понятие, такое как критическая температура. По рисунку 1 видно, что сверхпроводимость возникает не экспоненциально, а внезапно - как бы скачком при достижение определенного уровня температуры. Температура Tc, при которой происходит этот скачок электрического сопротивления, называется критической. При детальном исследование данного графика (рисунок 2) видно, что данный переход можно разбить на несколько интервалов температур. На рисунке представлен график зависимости удельного электрического сопротивления от температуры для более чистого образца и образца с небольшим количеством примесей. Указанная критическая температура обозначается на середине перехода, когда электрическое сопротивление падает наполовину по сравнению с нормальным значением. Критическая температура для каждого вещества своя.

Рисунок 2 -Зависимость электрического сопротивления от температуры для образцов разной чистоты

Образец 1 - более «чистый»; Образец 2 - более «грязный» (с примесями)- критическая температура; Tcо - температура начала падения электрического сопротивления; Tce - температура конца падения электрического сопротивления (установление определенного значения)

В дальнейшем открытия в данной области следовали одно за другим. Так, например, в 1912 году открыли еще два сверхпроводника - свинец и олово. На рисунке 3 приведена диаграмма некоторых открытых в те времена сверхпроводников, с указанием температуры и года опубликования.

Рисунок 3 - Материалы, критическая температура Tc (К), год опубликования статьи с обнаружением сверхпроводимости

В 1914 понимают, что сильное магнитное поле способствует разрушению сверхпроводимости. В то же время проводят эффективный эксперимент со сверхпроводящим кольцом из свинца - в данном кольце кратковременно индуцировали ток, а потом наблюдали его циркуляцию на протяжении нескольких часов без малейшего затухания (при этом кольцо становилось магнитом).

Стоит также отметить, что Камерлинг-Оннес не только доказал существование сверхпроводимости ртути, олова и свинца, но и проводил исследования на сплавах, доказав, что сплавы ртути с золотом и оловом также могут переходить в сверхпроводящее состояние. С тех пор работа по сверхпроводимости только росла, приведя к исследованию и открытию все новых и новых материалов, расширяя класс сверхпроводников.

. Эффект Мейснера

Исследование сверхпроводимости материалов развивалось очень медленно. Для наблюдения данного явления необходимо было охлаждать металлы до низких температур, а создание таких условий не являлось таким простым. На протяжение нескольких лет во многих странах велись исследования по открытию новых сверхпроводников, в том числе велись попытки увеличения критической температуры.

Но особых продвижений по-настоящему смогли достичь только спустя 22 года - немецкие физики Вальтер Фриц Мейснер и Роберт Оксенфельд в 1933 году. Благодаря их исследованиям было открыто еще одно уникальное свойство сверхпроводников - вытеснение им линий магнитного потока из своего объема, то есть сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.

Эффект Мейснера - это явление полного вытеснения магнитного поля при переходе в сверхпроводящее состояние из объема проводника. В толще сверхпроводника магнитное поле ослабляется, снижаясь до нуля [9-10]. Это свойство не показывало нам, что сверхпроводник обладает нулевым сопротивлением. Это скорее что-то более фундаментальное, что подтверждает, что сверхпроводимость - это действительно термодинамически стабильное состояние. Из наблюдаемого эксперимента сразу же стало понятно, что сверхпроводимость может быть разрушена с помощью внешнего магнитоного поля. Благодаря этому свойству можно утверждать, что сверхпроводимость и магнетизм являются как бы противоположными свойствами. На рисунке 4 представлен постоянный магнит, левитирующий над сверхпроводящей чашечкой на расстояние около 1 см, ножками расположенной в парах жидкого гелия (для поддержки сверхпроводящего состояния).

Рисунок 4 - Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)

При нахождении сверхпроводника в постоянном магнитном поле, в момент перехода его в сверхпроводящее состояние (помещение сверхпроводника в сверхнизкие температуры) происходит полное вытеснение магнитного поля из объема. Благодаря существованию этого свойства сверхпроводник отличается от идеального проводника (при нулевом сопротивлении, индукция магнитного поля остается постоянной).

Благодаря данному явлению было обнаружено, что для доказательства сверхпроводимости в материале необходимо наблюдать по меньшей мере два главных свойства:

1.      Электрическое сопротивление сверхпроводников нулевое;

.        Полное вытеснение из сверхпроводника магнитного поля.

Эффект Мейснера открывал такие возможности, благодаря которым возможно было создание сверхэффективных систем производства накопления и передачи электроэнергии на достаточно большие расстояния, в том числе создание сверхмощных генераторов, сверхбыстрых электронных вычислительных машин, сверхчувствительных устройств диагностики, создание сверхбыстрого транспорта, на основе магнитной подушке, а также создание ускорителей элементарных частиц.

Эффект Мейснера (так и было названо это явление) стал одним из очень важных открытий для сверхпроводимости, поскольку благодаря данному свойству, ученым стало понятно, что сверхпроводимость - это квантово-механическое явление. Если бы явление сверхпроводимости заключалось только в исчезновении (выталкивание) электрического сопротивления из объема проводника, то ее можно было бы описать законами классической физики.

. Высокотемпературная сверхпроводимость

Мода в сфере интеллектуальных исследований является важным аспектом в научном мире и играет не меньшую роль, чем в сфере промышленности потребительских товаров. Существуют модные направления исследований (например, с некоторых пор приставка «нано» является очень популярной), а существуют и такие, которые считаются малоперспективными. И этот факт является вполне рациональным, для того чтобы проводить исследования, необходимо располагать определёнными денежными (материальными) средствами, а для этого необходимо убедить людей, что потенциальные результаты этих исследований будут положительно воздействовать на их жизнь. Ну и конечно, для этого необходимо самому верить в то, что ты делаешь это правильно.

После открытия эффекта Мейснера, долгое время исследование сверхпроводимости не давали мощных результатов, хотя и было важным для теории и развития явления сверхпроводимости:

·        Во-первых, все ученые пытались объяснить явление сверхпроводимости с теоретической точки зрения. И первое обоснованное теоретическое объяснение данного явления было опубликовано в 1935 году Фрицем Лондоном и Хайнцем Лондоном. Более общая теория сверхпроводимости была создана в 1950 году Львом Давидовичем Ландау и Виталием Лазаревичем Гинзбургом. Данное теоретическое объяснение получило достаточно широкое распространение и стало называться как теория Гинзбурга-Ландау. Однако выдвинутые теории были феноменологического характера и не давали полного анализа для детального исследования механизмов явления сверхпроводимости.