Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Горячая сверхпроводимость

03.12.2013 Наука и жизнь

Недорогие опыты С возникновением материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние уже при температуре жидкого азота, опыт с парением сверхпроводника в магнитном поле стал дешёв кроме того в школьных условиях.
Парящий ротор Компания Nexans на базе высокотемпературных сверхпроводников сконструировала бесконтактный магнитный подшипник для замечательных электродвигателей. Такие двигатели планируется ставить на боевые суда

В YBaCuO на один атом иттрия приходятся два атома бария, три атома меди и около семи атомов кислорода, исходя из этого его именуют структурой 1−2-3. Ей соответствуют две весьма похожие слоистые псевдоперовскитовые решетки с ячейками в виде практически прямоугольных параллелепипедов

В статье о сверхпроводимости («ПМ» №8’2011) было отмечено, что среди чистых металлов самая большая критическая температура отмечается у ниобия — 9,25 К. В первой половине 70-ых годов XX века сотрудник исследовательских лабораторий компании Westinghouse Джон Гавалер узнал, что узкие пленки соединения ниобия с германием GeNb3 становятся сверхпроводниками при 23,2 К.Горячая сверхпроводимость В течение последующих 13 лет данный рекорд так и не был перекрыт. Все другие интерметаллические структуры с участием ниобия требуют для перехода в сверхпроводящее состояние большего охлаждения.

Но тогда же, в первой половине 70-ых годов XX века, имело место еще одно событие, сулившее, как на данный момент ясно, очень увлекательные возможности. Дэвид Джонстон из Калифорнийского университета в Сан-Диего увидел, что титанат лития, оксид титана и лития, делается сверхпроводником при очень почтенной критической температуре 13,7 К. Спустя два года сотрудник компании DuPont Артур Слейт нашёл данный переход при чуть более большой температуре у оксида бария, свинца и висмута. На этом дело и застопорилось, потому, что никто не ожидал, что перспективные сверхпроводящие материалы возможно создавать на базе окислов металлов.

Цюрихская сенсация

А позже, как часто бывает, вмешался счастливый случай. В первой половине 80-ых годов XX века Клод Мишель и его коллеги по Канскому университету в Нормандии продемонстрировали, что синтезированное ими соединение лантана, бария, кислорода и меди с кристаллической структурой перовскита при температурах от 300 до -100°С демонстрирует электропроводность железного типа.

Французские физики не постарались охладить его посильнее, потому, что интересовались только применением этого вещества для потребностей высокотемпературного химического катализа. В конце 1985 года их статью увидели сотрудники цюрихского исследовательского центра корпорации IBM Иоганнес Георг Беднорц и Карл Алекс Мюллер, уже несколько лет искавшие сверхпроводники на базе железных оксидов, среди них и перовскитов.

Они синтезировали разные предположения этого же вещества, различающиеся относительными концентрациями лантана и бария, в надежде «оттянуть» у ионов Cu дополнительные электроны, дабы расширить плотность мобильных носителей заряда. Расчет был на то, что у взятых кристаллов при низких температурах проявятся нестандартные электрические особенности и, возможно, кроме того сверхпроводимость.

И природа вознаградила ученых за смелость. В январе 1986 года Беднорц и Мюллер уже имели сверхпроводники с критической температурой порядка 35 К. Около трех месяцев они держали открытие в секрете, многократно повторяя контрольные опыты.

Более того, уже отослав в ежемесячник Zeitschrift fur Physik статью с непритязательным заголовком «Вероятная высотемпературная сверхпроводимость в совокупности Ba-La-Cu-O», впредь до ее выхода в свет они нигде не докладывали о собственных сенсационных итогах а также не делились ими с сотрудниками других исследовательских центров IBM. Обстоятельство была в полной мере очевидной — опасение, что кто-нибудь продублирует их испытания и опередит первооткрывателей с публикацией результатов.

Они и выбрали Zeitschrift fur Physik, а не более респектабельные и читаемые Nature, Science либо Physical Review Letters только вследствие того что редактор этого издания дал согласие безотлагательно напечатать статью без предварительного рецензирования. Пятистраничная работа показалась в сентябрьском номере и через год принесла своим авторам Нобелевскую премию в области физики.

Незаметная публикация

Как ни необычно, сначала сообщение Беднорца и Мюллера мало кто увидел. Эксперты по сверхпроводимости редко просматривали Zeitschrift fur Physik, да и у всего физического сообщества он в далеком прошлом не пользовался таким престижем, как в начале ХХ века, в то время, когда в том месте печатались Эйнштейн, Шредингер, Гейзенберг, Паули, другие титаны и Борн. Но в первых числах Ноября статья попалась на глаза доктору наук Хьюстонского университета Полу Чу, ученику известного создателя сверхпроводящих материалов Бернда Маттиаса.

Несколько Чу не только в рекордный срок повторила опыты цюрихских сотрудников, но и на 10 градусов повысила критическую температуру соединения, сжав его под большим давлением.

Хьюстонские физики еще не знали, что у них имелись соперники. Той же в осеннюю пору 1986 года Коичи Китазава из Токийского университета доказал, что цюрихский сверхпроводник образован слоями ионов Cu, любой из которых находится в центре очень сильно деформированного октаэдра из шести атомов кислорода. В пространстве между этими слоями находятся атомы бария и лантана, каковые также формируют упорядоченную решетку.

Эта кристаллическая структура с химической формулой La1,8Ba0,2CuO4 относится к разряду так называемых слоистых псевдоперовскитов. 4 декабря Чу и Китазава доложили собственные результаты в Бостоне на ежегодной конференции Общества материаловедческих изучений. Эти доклады дали старт настоящей гонке за высокотемпературными сверхпроводниками.

Физический детектив

Пол Чу предполагал, что сжатие увеличивает критическую температуру благодаря уменьшению расстояния между кислородными октаэдрами. Возвратившись из Бостона, он решил проверить эту идею и синтезировал структурно сходное соединение, в котором барий заменен химически родным, но более легким стронцием. Догадка оправдалась: новое вещество без всякого сжатия преобразовывалось в сверхпроводник при 39 К (данный же итог был независимо взят и в Цюрихе).

Тогда хьюстонские физики, к каким присоединились коллеги из Алабамского университета, решили поиграть с химическими аналогами лантана, в частности с иттрием. К концу января 1987 года они синтезировали соединение иттрия, бария, кислорода и меди с критической температурой 93 К. Это первенствовалматериал, теряющий электрическое сопротивление при температуре, превышающей точку кипения жидкого азота (77 К).

А после этого произошла практически детективная история. Чу, подобно Беднорцу и Мюллеру, опасался, что в ходе неизвестного рецензирования кто-то воспроизведет его результаты и опубликует их первым под своим именем. Материал было не тяжело синтезировать спеканием исходных компонентов в электропечи, в случае если знать их концентрацию, а эти сведенья нужно было включить в статью.

Чу попросил редактора Physical Review Letters в виде исключения подписать ее в печать без представления критикам, но получил отказ. Тогда он отправился на хитрость: в посланной в редакцию рукописи заменил иттрий (химический знак Y) на иттербий (Yb), и легко подправил весовые соотношения ингредиентов. Корректируя уже принятую к публикации статью, Чу исправил эти «опечатки», и она показалась уже без неточностей.

Как скоро выяснилось, предосторожность была не лишней. Практически сразу после публикации работы Чу и его сотрудников пара научных коллективов сказали об опытах с соединениями иттербия, каковые также становятся сверхпроводниками, не смотря на то, что и при более низкой температуре. "Наверное," имела место та самая утечка информации, которой опасался начальник авторского коллектива, но виновники ее остались малоизвестными.

В то время, когда эта история взяла огласку, Чу обвиняли в нарушении и сознательной дезинформации научной этики, пускай кроме того с благими намерениями. Но неспешно чувства улеглись, и большая часть ученых дали согласие, что Чу поступил верно.

Структуру нового сверхпроводника узнали достаточно не так долго осталось ждать, причем сходу в нескольких лабораториях. Эти сведенья в первый раз были доложены 18 марта 1987 года на конференции Американского физического общества, прошедшей в нью-йоркском отеле «Хилтон».

Ввиду огромного страшного возбуждения и количества докладов практически 4000 участников эта встреча сохранилась в научном фольклоре как «физический Вудсток», Woodstock of physics (по ассоциации с легендарным фестивалем в штате Нью-Йорк, куда в августе 1969 года съехалось полмиллиона поклонников рок-музыки). Затем высокотемпературные сверхпроводники получили глобальную известность, а в Соединенных Штатах и еще последовательности государств кроме этого и щедрое финансирование.

По окончании «Вудстока»

Каковы же результаты? С одной стороны — впечатляющие. Создано множество сверхпроводников, содержащих очень увлекательные добавки к базовым бронзово-кислородным планарным структурам (их еще именуют сверхпроводниками из семейства оксидных купратов, либо легко купратов, потому, что все они содержат анионы меди, по латыни cuprum).

Так, во второй половине 80-ых годов двадцатого века несколько Пола Гранта из исследовательского центра IBM в Альмадене сказала о сверхпроводнике CaBaCuO с критической температурой 125 К. Пятью годами позднее стало известно, что синтетическое соединение HgBa2Ca2Cu3Ox (где x больше 8), созданное научной группой под управлением Евгения Антипова из МГУ, переходит в сверхпроводящее состояние при 135 К, а при сильном всестороннем сжатии — практически при 160 К. До сих пор это вещество держит рекорд по большой критической температуре при обычном давлении.

В отечественном столетии перечень высокотемпературных сверхпроводников как следует расширился. В марте 2001 года японские физики поразили сотрудников сообщением, что в далеком прошлом известное простое интерметаллическое соединение диборид магния MgB2 делается сверхпроводником при 39 К. А через пять лет из Страны восходящего солнца пришла еще более занимательная информация.

Сотрудники Токийского технологического университета во главе с Хидео Хосоно в первый раз нашли сверхпроводимость при обычном давлении у вещества, содержащего железо. Критическая температура соединения LaOFeP была мизерной, всего около 5 К, но открытие было неожиданностью, потому, что чистое железо переходит в сверхпроводящее состояние только под большим давлением вблизи полного нуля.

Скоро обнаружилось еще пара сверхпроводников с участием мышьяка и железа — партнера фосфора по пятой группе Периодической совокупности Менделеева. Сейчас перечень железосодержащих сверхпроводников расширился за счет веществ с совсем неожиданным составом, причем кое-какие из них по большому счету не содержат кислорода — в частности, соединения железа и селена, легированные калием, цезием либо таллием (их критические температуры смогут быть больше 30 К).

Неясные обстоятельства

Еще лет десять назад у физиков не имелось более либо менее общепринятых объяснений высокотемпературной сверхпроводимости. Было ясно, что и в новых материалах каким-то образом образуются куперовские электронные пары, каковые дрейфуют во внешнем электрическом поле, не рассеиваясь на ионах кристаллической решетки.

Из-за их рождения в спектре состояний электронов проводимости появляется безлюдная территория, так называемая энергетическая щель, чья ширина равна половинной энергии связи пары (в противном случае говоря, энергии связи в расчете на один электрон). Чем шире эта щель, тем выше критическая температура. Но для спаривания между электронами должно появляться действенное притяжение, обстоятельства которого никак не получалось отыскать.

Отметим, что «обычные» сверхпроводники охотно описываются теорией БКШ, в которой притяжение появляется за счет поляризации кристаллической решетки, создающей территории локального избытка плотности хорошего заряда (либо, на квантовом языке, за счет электрон-фононного сотрудничества). Но тогда считалось, что у простых их сплавов и металлов это сотрудничество не может быть через чур сильным, почему куперовские пары разрушаются тепловыми колебаниями решетки при температурах не выше 30 К. Впредь до открытия Беднорца и Мюллера все экспериментальные эти подтверждали данный вывод.

Действительно, физики допускали, что у многокомпонентных соединений со особой кристаллической структурой электрон-фононное сотрудничество возможно посильнее, а критические температуры — выше. Одно время теоретики сохраняли надежду, что эта догадка откроет путь к пониманию сверхпроводимости псевдоперовскитов.

Но у этих материалов не отмечается либо практически не отмечается изотопический эффект (зависимость критической температуры от массы атомов решетки), что обязательно обязан проявиться при электрон-фононном механизме происхождения куперовских пар. Это событие показывает, что электроны высокотемпературных сверхпроводников, вероятнее, притягиваются каким-то иным образом.

Нестандартная сверхпроводимость

на данный момент природа «нестандартной» сверхпроводимости неспешно проясняется. «Тайная диборида магния разрешилась достаточно легко, — поведал «ПМ» доктор наук Висконсинского университета Андрей Чубуков, что много лет занимается теорией высокотемпературной сверхпроводимости. — Куперовские пары в том месте образуются только за счет электрон-фононного сотрудничества. В силу специфики кристаллической электронных спектров и структуры оно очень сильное, из этого и повышенная критическая температура.

Так что тут мы видим торжество хорошей теории БКШ, которая, как выяснилось, вовсе не ограничена потолком в 30 К. Диборид магния занимателен и в других отношениях (так, у него не одна, а две энергетические щели), но по части механизма происхождения сверхпроводимости он ничего особого собой не воображает. Его кроме того не нужно относить к числу «настоящих» высокотемпературных сверхпроводников, потому, что у них пары появляются вовсе не за счет обмена фононами.

Другое дело купраты и железосодержащие сверхпроводники. "Наверное," куперовские пары в том месте образуются благодаря прямым сотрудничествам между электронами проводимости. Как это возможно, коль не так долго осталось ждать электроны отталкиваются по закону Кулона? Дело в том, что в случае если кулоновское сотрудничество экранируется, то на громадных расстояниях оно начинает осциллировать.

За счет таких осцилляций оно кроме того может в каких-то участках пространства временно поменять символ, другими словами перейти от отталкивания к притяжению. Вследствие этого электроны с определенными значениями орбитального момента обретают свойство притягиваться друг к другу и объединяться в куперовские пары. В купратах так себя ведут электроны с орбитальным моментом, равным двум, — так именуемые d-волны, а в железосодержащих (как и в простых сверхпроводниках) — электроны с нулевым орбитальным моментом.

Но это еще не все. Для происхождения сверхпроводимости необходимо иметь такие электроны (сырье для куперовских пар) в достаточных количествах. Имеется все основания вычислять, что их появлению содействуют спиновые флуктуации маленькой протяженности.

Данный эффект трудится только в определенном промежутке концентрации примесей. Исходя из этого оксиды меди становятся сверхпроводниками лишь при легировании нужными добавками и в нужных количествах. В чистом виде, без примесей, это изоляторы».

От теории к практике

Все три с лишним десятка высокотемпературных сверхпроводников, взятых к началу этого века, — это сложные соединения оксидов меди, владеющие структурой слоистых псевдоперовскитов. Они уже нашли применения в энергетических разработках — правда, пока достаточно скромные.

Японская компания Sumimoto Electric пара лет назад освоила выпуск электрических сверхпроводящих кабелей, выдерживающих ток силой 200 А при температурах жидкого азота (и рассчитывает довести данный показатель до 300 А). Но эти материалы отличаются анизотропностью и хрупкостью, исходя из этого трудиться с ними сложно. В чистом виде они не годятся кроме того для изготовления токонесущих проводов, каковые приходится делать в виде сэндвичей с сверхсложной структурой.

Германская корпорация Siemens удачно испытала сверхпроводящий генератор мощностью 4 мегаватта и вместе с технологическим университетом Карлсруэ приступила к разработке установки на пара сотен милионов ватт. На фото слева — одна из подробностей сверхпроводящего генератора.

Перовскиты

Обобщенная структура кристаллической решетки перовскита лежит в базе многих высокотемпературных сверхпроводников

Это семейство кристаллов обязано своим именем минералу CaTiO3. Во второй половине 30-ых годов девятнадцатого века его нашёл на Среднем Урале германский ученый Густав Розе, назвавший собственную находку в честь тогдашнего товарища (другими словами помощника) министра уделов России, минералога-любителя графа Льва Перовского.

Состав «хорошего» перовскита описывается формулой ABO3, где А и В — металлы, а О — кислород. Элементарная ячейка его кристаллической структуры — куб, в большинстве случаев пара искаженный. В его вершинах находятся атомы (правильнее, хорошие ионы) одного металла, а в центре — другого (при перовскита это катионы титана и кальция). В серединах ребер находятся анионы кислорода.

Существуют кроме этого металлооксиды со сходными кристаллическими структурами, в состав которых входят не два, а три (либо больше) металла, а часть кислородных вакансий не заполнена. Среди перовскитов видятся ферроэлектрики, вещества с огромным магнитосопротивлением и кристаллы (конкретно, титанат стронция SrTiO3), каковые в прошлом (за неимением лучшего) применяли для имитации бриллиантов.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№114, апрель 2012).

Случайные записи:

тепловая труба-сверхпроводник тепла


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , , ,