Материал: Учебное пособие ЭТМ

геометрии). Например, введение ртути в нанопористое стекло привело к увеличению критической магнитной индукции ртути приблизительно в сто раз при температуре 2,1 К. Для ртутных нанопроволок, полученных вдавливанием ртути в каналы хризотилового асбеста, увеличение Вс, экстраполированное к 0 К, составило приблизительно двести раз для диаметра канала 6 нм и приблизительно шестьсот раз для диаметра канала 2 нм.

Эффект Джозефсона

В 1962 г. Б. Джозефсон из Кембриджского университета (Англия) на основе теоретического анализа предсказал явление квантовомеханического туннелирования сверхпроводящих электронов через тонкую (10- 7-10- 9 м) диэлектрическую прослойку («слабая связь») между двумя частями сверхпроводника. Туннелирование обусловлено тем, что электрон имеет волновую функцию, которая распространяется на некоторое расстояние, обеспечивая взаимодействие между электронами в разных частях сверхпроводника.

Рис. 6.6. Стационарный эффект Джозефсона

Теорией было предсказано существование двух эффектов — стационарного (рис. 6.6), когда I меньше Ic, где Ic — критический ток слабой связи, и UАВ = 0, и нестационарного (рис. 6.7), когда I больше Ic и UАВ больше 0. В случае нестационарного эффекта на диэлектрической прослойке будет небольшое падение напряжения, равное

173

Суть нестационарного эффекта — электрон с более высокого энергетического уровня переходит на более низкий, излучая при этом энергию в СВЧ или ИК диапазонах (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Нестационарный эффект Джозефсона

Экспериментально стационарный эффект был обнаружен в 1963 г. П. Андерсоном и Дж. Роуэлллом (США). Нестационарный эффект был обнаружен впервые в Харьковском Физико-техническом институте в 1964 г. (на полгода раньше, чем в Принстонском университете, США). В эксперименте при Т менее Тс, действительно, наблюдалось СВЧ излучение с частотой 1010 Гц мощностью около 10- 14 Вт.

За теоретическое предсказание эффекта Б. Джозефсону была присуждена Нобелевская премия по физике за 1973 г.

На основе эффекта Джозефсона был создан сверхпроводниковый квантовый интерференционный детектор (СКВИД). Это измерительный прибор, обладающий исключительно высокой чувствительностью. С его помощью можно измерять напряжения до 10- 15 В, магнитную индукцию до 10- 14 Тл, мощность до 10- 14 Вт. По чувствительности СКВИД превосходит на порядки другие измерительные приборы, основанные на иных принципах измерений.

СКВИД включает в себя два элемента слабой связи, находящихся во внешнем магнитном поле при Т меньше Тс. Зависимость максимального тока через СКВИД в зависимости от магнитного потока определяется нижеприведенной формулой и имеет вид осциллирующей кривой (рис. 6.8):

174

где Ic — критический ток, зависящий от параметров перехода; Ф — магнитный поток (Ф = В·S); В — магнитная индукция; S — площадь; Ф0 = h/2e = 2·10- 15 Вб — квант магнитного потока.

IMAX

2IC

Рис. 6.8. Зависимость максимального тока от величины магнитного потока

Осциллирующая функция полного тока через СКВИД зависит от кванта магнитного потока, и это подтверждает гипотезу, впервые высказанную самим Х. Камерлинг-Оннесом еще в 1925 г., о том, что явление сверхпроводимости имеет квантовую природу.

СКВИДы широко используются в различных областях науки и техники для прецизионных измерений.

6.3. СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сверхпроводниковые материалы в зависимости от величины Тс делятся на две группы:

низкотемпературные («холодные») сверхпроводники; высокотемпературные («теплые») сверхпроводники. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) имеют Тс мно-

го большую, чем Тс «холодных» сверхпроводников, но в то же время она меньше 20 ° С (состояние на 2013 год).

По поведению в магнитном поле сверхпроводники делятся на: сверхпроводники первого рода (чистые металлы); сверхпроводники второго рода (сплавы, керамика, химические

соединения).

175

6.3.1. Сверхпроводники первого рода

Сверхпроводников первого рода из чистых химических элементов существует порядка тридцати штук при условии, что толщина сверхпроводника больше, чем λ (лондоновская глубина проникновения), при давлении 760 мм рт. ст. В табл. 6.1 указаны данные для некоторых сверхпроводников первого рода при указанных условиях.

Таблица 6.1

Свойства некоторых сверхпроводников первого рода

рых длина когерентности β меньше λ (лондоновская глубина проникновения). Сверхпроводники второго рода — сплавы или химические соединения. Сверхпроводников этого типа существует порядка тысячи штук. В табл. 6.2 приведены данные для некоторых сверхпроводников второго рода при условии, что толщина сверхпроводника больше, чем λ, и давление 760 мм рт. ст.

176

В технике в настоящее время в основном применяются сверхпроводники второго рода. Наиболее широко используются композиционные сверхпроводники (рис. 6.9). Сверхпроводники используют в реакторах с магнитным удержанием плазмы и для магнитных систем коллайдеров.

Коллайдеры — гигантские ускорители элементарных частиц со встречными потоками. Для них, так же как и для термоядерных реакторов, являющихся тоже крупногабаритными сооружениями (например, только реактор ИТЭР имеет диаметр 40 м при высоте 40 м), требуются большие магнитные поля (В = 15 − 20 Тл) в больших объемах.

Диаметр нити от 1 до 100 мкм, их количество N ≤ n·10000 штук.

Химическое соединение

Рис. 6.9. Композиционные сверхпроводники второго рода (вверху) и структура сверхпроводящей нити (внизу)

Преимущество использования сверхпроводника в том, что стоимость сверхпроводниковой обмотки соленоида составляет 1 – 2 % от стоимости такой же медной обмотки, к тому же масса сверхпроводника в тысячи раз меньше. Кроме того, медная обмотка требует интенсивного водяного охлаждения.

На рис. 6.10, в качестве примера, представлен проводник для магнитной системы термоядерного реактора ИТЭР.

177