Сверхпроводящие материалы. Часть 1

Идея протекания электрического тока без сопротивления равносильна осуществлению старой человеческой мечты о вечном двигателе. Отсюда вытекает по-настоящему живой интерес к такому явлению как сверхпроводимость и поиску новых сверхпроводящих материалов. Несмотря на то, что первые сверхпроводники открыли более ста лет назад, “широкого слушателя” они на данный момент не нашли. Почему? Потому что исследователи до сих пор не могут в полной мере объяснить данное явление и ответить на главный вопрос будет ли являться материал сверхпроводящим или нет.

Чем же главным образом отличается сверхпроводящий материал от обычных? Такой материал должен обладать нулевым сопротивлением ниже некоторой температуры, которую называют критической (T_c). Также особенностью сверхпроводников является то, что они полностью выталкивают из своего объема внешнее магнитное поле или как говорят наблюдается эффект Мейсснера-Оксенфельда, по фамилии ученых, которые и открыли данный эффект.

Точнее не совсем так. Здесь появляется первая классификация, которую мы можем предложить для сверхпроводящих материалов. Те материалы, для которых выполняется эффект Мейсснера, называют сверхпроводниками первого рода, а материалы, в которых все-таки энергетически выгодно магнитное поле впустить специальным образом через так называемые вихри Абрикосова, называют сверхпроводниками второго рода. Именно последние и представляют наибольший интерес для практических применений. Связано это с тем, что в первом случае ток течет только по поверхности материала, то есть нельзя выпустить этот ток из объема, так как именно он компенсирует внешнее магнитное поле. Сверхпроводники второго рода в свою очередь можно использовать для того, чтобы передавать через них огромные плотности тока (~1000 А/мм²). Также, как правило, сверхпроводимость в таких материалах тяжелее разрушить с помощью температуры, внешнего магнитного поля, протекающего тока. А именно эти критические параметры наибольшим образом определяют возможное применение сверхпроводников.

Помимо характера проникновения внешнего магнитного поля сверхпроводники также можно классифицировать на низкотемпературные и высокотемпературные, на традиционные и нетрадиционные. Деление данных материалов по температуре связано с тем, что для проявления сверхпроводящих свойств их нужно охладить. В зависимости от значения критической температуры охлаждение происходит различными сжиженными газами, гелием (Tкипения = 4.2К) для низкотемпературных, азотом (Tкипения = 77К) для высокотемпературных сверхпроводников. Хоть гелий и является вторым по распространенности элементом во вселенной, на Земле он не такой популярный как, например, азот, что определяет цену и сложность работы с ним. Именно поэтому было крайне важным открытие сверхпроводящих материалов с температурой перехода в это состояние выше, чем температура кипения жидкого азота.

Традиционными называют материалы, сверхпроводимость которых описывается наиболее принятой и стандартной теорией сверхпроводимости БКШ, теорией Бардина-Купера-Шриффера. Согласно БКШ происходит следующее. Представьте, как отрицательно заряженный электрон летит среди положительно заряженных ионов металла. Пролетая мимо, он может притянуть к себе некоторые ионы, отчего образуется область некомпенсированного положительного заряда, которая в свою очередь может притянуть уже другой электрон. Таким образом, можно говорить о связи двух электронов через их взаимодействие с кристаллической решеткой. Такую пару двух электронов называют куперовской парой. Связанные электроны меняют свои свойства и могут переносить электрический заряд ни во что не врезаясь, то есть не испытывая при движении никакого сопротивления! Однако данный механизм может работать только при крайне низких температурах (<40K), так как при больших электроны будут очень быстро пролетать мимо ионов кристаллической решетки, и они не будут успевать друг друга почувствовать. Но исследователям известны материалы, проявляющие сверхпроводящие свойства при температурах больших чем данный предел, либо материалы, для которых не работает данный механизм связывания двух электронов. Отсюда появляются сверхпроводники, которые называют нетрадиционными.

А с чего вообще все началось?

Открытие сверхпроводимости произвел голландский физик Камерлинг-Оннес в 1911. Годами раннее интерес физика-экспериментатора заключался во внимательном изучении сжижения газов, что в итоге привело к тому, что он первый получил жидкий гелий и достиг самой низкой температуры на тот момент, 0.9 К. В этот период было немного известно о низкотемпературном поведении металлов, существовали разные теории на этот счет. Были предположения, что сопротивление металлов при нулевой температуре возрастет до бесконечности за счет того, что электроны просто замерзнут, либо, что сопротивление будет иметь конечное значение или равняться нулю. Вопрос оставался открытым, поэтому Оннес принял решение провести следующий эксперимент. Ученый знал, что на величину сопротивления при низких температурах может повлиять чистота металла, так как до этого эксперимента он измерял сопротивление золота и платины. Поэтому физик решил в качестве материала выбрать ртуть, так как, по его мнению, ртуть можно было подготовить достаточно чистой. При проведении измерений сопротивления ртути от температуры Оннес обнаружил, что при температуре 4.15 К сопротивление резко упало до нуля в пределах точности измерения прибора, что указывало на новое состояние материала.

Открытие сверхпроводимости предназначало резкий толчок в поиске новых сверхпроводящих материалов, который продолжается и до сих пор. Первые работы в поиске новых сверхпроводников привели к тому, что к 1951г. число данных материалов составляло 21. Появилась возможность достигать высокие давления и при его приложении были открыты новые сверхпроводящие материалы. Помимо специфических условий по проявлению сверхпроводящих свойств у материалов при приложении к ним давления, некоторые образцы проявляют сверхпроводимость только в состоянии тонких пленок (например, Cr). Среди простых соединений в таблице Менделеева сверхпроводимость при разных условиях проявляют 53.

Какие же бывают сверхпроводящие материалы?

Помимо простых соединений исследователям известны многие классы сверхпроводящих материалов как традиционных, так и нетрадиционных.

Материалы со структурой