Какое свойство электричества связано со сверхпроводимостью

Сверхпроводимость

Пример 2

Произвести описание физической природы сверхпроводимости.

Решение

Главной особенностью поведения сверхпроводника считается свободное движение внутри вещества носителей заряда. Эффект является квантовым.

По закону Кулона между электронами металла действуют силы отталкивания. Этот процесс может быть ослаблен при помощи экранирующего действия ионов кристаллической решетки. Электроны движутся к ионам, даже при незначительном притяжении, но при наличии определенных условий притяжение превосходит отталкивание. Это характеризуется образованием пар электронов с нулевым спином. Они являются носителями тока в сверхпроводниках. Размер таких пар огромен, так как может достигать порядка микрон.

Сверхпроводники

Что такое сверхпроводник и какими свойствами он обладает.

Что такое сверхпроводник?

Я уже отмечал ранее, что даже в беседах между собой, говоря о своей профессии, физики редко прибегают к преувеличениям и избытку чувств. Поэтому, когда для названия вещества они используют приставку типа «супер», это вещество должно быть воистину экстраординарным. Сначала я опишу само явление, а затем поясню, почему оно экстраординарно. Возьмём проволоку, сделанную из свинца, сопротивление которой при комнатной температуре (около 290 К) равно 1 Ом, и будем измерять электрическое сопротивление при разных температурах, постепенно охлаждая проволоку. Результат показан на рис. 1. Сопротивление плавно уменьшается с уменьшением температуры. Однако при температуре около 7 К оно резко падает, в 10 20 раз по сравнению со значением при комнатной температуре, и остаётся неизменным при дальнейшем охлаждении. Взглянем на это явление с другой стороны: проволока начинает теперь проводить электрический ток по крайней мере в 10 20 раз лучше, чем перед этим. На самом деле мы можем только установить верхний предел этого числа, что связано с ограниченной чувствительностью измерительных приборов. Насколько мы знаем, проволока в таком состоянии должна быть идеальным проводником, а это означает, что ток может проходить по ней при нулевом приложенном напряжении.

Рис. 1. Сверхпроводимость свинцовой проволоки. Заметьте, что мы используем логарифмические, а не линейные шкалы. Это удобный способ показать изменение величин в очень большом интервале значений. Температура изменяется на несколько сотен единиц, а сопротивление – в 10 20 раз. Сопротивление скачком уменьшается до нуля при характерной (критической) температуре, равной примерно 7 К

Если теперь начать нагревать эту проволоку, обнаружится, что её сопротивление скачком возвращается к исходному значению при той же температуре, при которой оно исчезло при охлаждении. Назовём её температурой сверхпроводящего перехода и обозначим Тк. Когда проволока нагрета до более высокой температуры и является несверхпроводящей, говорят, что вещество находится в нормальном состоянии. Переход из одного состояния в другое очень резкий: достаточно изменить температуру менее чем на тысячную долю градуса, чтобы вызвать переход.

Посмотрим теперь, чем сверхпроводимость столь необычна. Во-первых, происходит невероятно большое изменение электрического сопротивления, во-вторых, поражает резкость перехода (очень узкий температурный интервал, в котором происходит скачок). В гл. 9 шла речь о том, как возникает электрическое сопротивление. Здесь замешаны взаимодействия между электронами проводимости, фононами и атомами примесей, сложная игра огромного числа частиц (более 1020 одних электронов, не говоря уже о других). Вся эта какофония резко и полностью прекращается всего лишь при охлаждении проволоки на одну тысячную градуса ниже температуры перехода. Очевидно, что-то происходит, что влияет на взаимодействие этих частиц и драматически изменяет их поведение. Проведём аналогию: стоя в школьном коридоре, я слышу гул голосов из класса, который вдруг прекращается в тот момент, когда звенит звонок. Небольшое исследование убеждает меня, что причиной наступившей тишины является приход учителя. Таким образом, наша задача состоит в том, чтобы выяснить, что играет роль учителя в случае сверхпроводимости.

Мы привыкли к тому, что малые изменения температуры приводят к малым изменениям свойств вещества. Примером может служить тепловое расширение твёрдых тел. Отсюда следует, что фундаментальная атомная и электронная структура вещества также слабо меняется. В случае сверхпроводимости ситуация совершенно иная. Внезапное исчезновение электрического сопротивления означает, что в сверхпроводящем состоянии возникает какое-то новое свойство, отсутствующее в нормальном состоянии. Такая ситуация является примером фазового перехода. Другими примерами таких переходов являются спонтанное намагничивание ферромагнетиков и плавление твёрдых тел. Все они характеризуются внезапным изменением коллективного поведения всех участвующих в переходе частиц вещества: электронов проводимости в сверхпроводнике, магнитных моментов электронов в ферромагнетике, атомов в твёрдом теле в процессе плавления. Из-за большого числа участвующих частиц и сложных взаимодействий между ними детальное объяснение происходящего – невероятно трудная задача. До сих пор наиболее удачной была попытка объяснения сверхпроводимости, и мы расскажем о ней чуть ниже.

Возможно, кого-то удивит тот факт, что сверхпроводимость – совсем не редкое явление. Помимо свинца, имеются двадцать семь природных элементов, которые могут становиться сверхпроводящими. У каждого из них своя характерная температура фазового перехода. Кроме того, созданы сотни сплавов и соединений, в которых также наблюдается сверхпроводимость. Поэтому сверхпроводимость – значительно более распространённое явление, чем ферромагнетизм, присущий всего лишь нескольким веществам.

В табл. 1 приведены температуры перехода в сверхпроводящее состояние нескольких веществ, отобранных так, чтобы показать, во-первых, разнообразие веществ, которые могут переходить в сверхпроводящее состояние, а во-вторых, большой разброс температур перехода. Две крайние температуры в таблице различаются почти в 8000 раз.

Кстати, хотелось бы заметить, что в физике при сравнении температур значительно полезнее и информативнее рассматривать их отношение, а не их разность. Это связано с тем, что в статистической физике, лежащей в основе понятия температуры, отношение энергий квантовых уровней к тепловой энергии (которая, по существу, и есть температура) более существенно, чем сама температура. Выраженное в процентах, это отношение одинаково, если переходить от десяти градусов к ста градусам или от ста к тысяче.

Таблица 1. Температура перехода, К, в сверхпроводящее состояние некоторых веществ

Вольфрам	0,012
Олово	3,7
Свинец	7,2
Сплав ниобия и титана	11,0
Соединение ниобия и олова	18,0
Соединение иттрия, бария, меди и кислорода	90

Вопрос. Сверхпроводимость встречается намного чаще, чем ферромагнетизм. Почему же тогда мы видим вокруг столько применений ферромагнетиков и совсем не видим применений сверхпроводников?

Ответ. Есть много веществ, являющихся ферромагнитными при обычных (комнатных) температурах – около 300 К. К сожалению, при таких же температурах сверхпроводников не обнаружено. Всякое использование сверхпроводников сопряжено с охлаждением до температуры жидкого воздуха (90 К) или жидкого гелия (4 К), что требует использования специального оборудования, а это исключает использование сверхпроводников с такой же простотой, как ферромагнетиков. Продолжаются поиски веществ, которые становятся сверхпроводящими при комнатных температурах. Пока что эти поиски оказались безуспешными.

Другие свойства сверхпроводников

Исчезновение электрического сопротивления – самое примечательное свойство, отличающее сверхпроводник от нормального металла (в этой главе слово нормальный означает несверхпроводящий.) Так, свинец – нормальный при температуре выше 7,2 К и сверхпроводящий при более низкой.

Представим теперь, что у нас есть свинцовая проволока, охлаждённая до температуры около 4 К (т.е. –269 °С). Такую температуру можно получить, используя для охлаждения жидкий гелий. Так как проволока находится в сверхпроводящем состоянии, то по ней может идти ток без всякого приложенного напряжения. Можно ли что-то сделать с этой проволокой, чтобы разрушить сверхпроводящее состояние? Потряхивание или освещение проволоки ни к чему не приводит. Однако, если вспомнить, что электрический ток переносится электронами и что магнитное поле влияет на их движение, можно попробовать подействовать на проволоку магнитным полем. Сначала ничего не происходит, ток продолжает течь. Но когда индукция окружающего поля достигает некоторого критического значения, ток в проволоке внезапно падает и появляется падение напряжения, т.е. проволока теряет свои сверхпроводящие свойства и демонстрирует нормальное электрическое сопротивление. Можно провести ещё несколько опытов и убедиться, что при каждой температуре существует критическое значение магнитного поля, такое, что в более слабых полях свинцовая проволока остаётся сверхпроводящей, а в более сильных полях переходит в нормальное состояние. На рис. 2 показано, как критическое магнитное поле зависит от температуры, изменяясь от очень малых значений вблизи Тк и достигая максимума 0,08 Тл при более низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю (тесла – единица индукции магнитного поля. Магнитное поле Земли – примерно 5 . 10–5 Тл.)

Рис. 2. Наименьшие магнитные поля, разрушающие сверхпроводимость свинца при разных температурах. Меньшие поля не влияют на сверхпроводящие свойства свинца

Картина изменения критического поля в зависимости от температуры одинакова у разных сверхпроводников. Однако значение максимального критического поля Bк у всех разное (табл. 2). По этому параметру сверхпроводники делятся на две группы: с Bк меньше 0,1 Тл и с Bк, достигающей нескольких десятков тесла. Будем называть эти группы веществ соответственно сверхпроводниками 1-го и 2-го рода. Как мы сейчас увидим, причина различного поведения лежит в деталях реакции сверхпроводника на внешнее магнитное поле.

Таблица 2. Критическое магнитное поле, Тл, для некоторых сверхпроводников

Вольфрам	0, 0001
Олово	0, 03
Свинец	0, 08
Сплав ниобия и титана	12
Соединение ниобия и олова	30
Соединение иттрия, бария, меди и кислорода	более 100 (по оценке)

Магнитное поле проникает сквозь несверхпроводящее вещество. Так, магнит притягивает железный гвоздь, даже если между ним и магнитом поместить пластину из обычного металла (рис. 3, а). Если же заменить пластину из нормального металла пластиной из сверхпроводника (рис. 3, б), магнитное поле не будет проникать сквозь неё, и железный гвоздь не будет притягиваться. Если теперь медленно приближать магнит к сверхпроводящей пластине, то, начиная с определённого расстояния между ней и магнитом, гвоздь опять начнёт к нему притягиваться (рис. 3, в).

a)	б)	в)

Рис. 3. а) Магнитное поле проходит сквозь пластину из нормального металла и притягивает гвоздь, находящийся по другую её сторону. б) Пластина из сверхпроводника не пропускает магнитное поле – гвоздь не притягивается к магниту и остаётся лежать на столе. в) Если приближать магнит к пластине, то начиная с некоторого расстояния магнитное поле становится достаточно большим, чтобы разрушить сверхпроводящее состояние, и гвоздь опять будет притягиваться

Вопрос. Какая существенная деталь пропущена на рис. 3?

Ответ. Сверхпроводящая пластина должна быть погружена в сосуд с жидким воздухом или жидким гелием, т.к. мы пока не знаем сверхпроводников при комнатной температуре.

Дальнейшие эксперименты показывают, что в сверхпроводник 1-го рода магнитное поле проникает скачком, как только достигает значения Bк, т.е. вещество сразу теряет сверхпроводящие свойства. На рис. 4, а показано, что поле меньше Bк не может проникнуть внутрь сверхпроводника. Этот эффект называется эффектом Мейсснера по имени Вальтера Мейсснера, который открыл его вместе с Р.Оксенфельдом. На рис. 4, б поле больше Bк – оно пронизывает весь образец, который при этом перешёл в нормальное состояние. Можно представить себе такую картину: сверхпроводник выталкивает поле наружу, пытаясь остаться в сверхпроводящем состоянии, а вытесненное поле оказывает давление, пытаясь проникнуть внутрь сверхпроводника. Это давление нарастает с увеличением поля, пока наконец сверхпроводник не прекратит сопротивление. В этот момент поле скачком проникает внутрь и разрушает сверхпроводимость.

a)	б)

Рис. 4. Сверхпроводник 1-го рода (в форме эллипсоида вращения, поскольку при другой форме образца картина не столь чёткая): а) не пропускает сквозь себя слабое поле; б) пропускает сильное поле. Переход происходит при критическом значении поля Bк, когда сверхпроводимость разрушается. S – сверхпроводящее cостояние, N – нормальное

Поведение сверхпроводников 2-го рода, так сказать, более хитрое* (рис. 5). В слабых полях (рис. 5, а) такой сверхпроводник тоже не пропускает поле внутрь. Но при некотором значении поля, много меньшем Bк для данного сверхпроводника, возникает смешанное состояние, когда поле частично проникает внутрь (рис. 5, б), и образец представляет собой смесь сверхпроводящих и нормальных областей. С увеличением поля доля нормальных областей растёт за счёт уменьшения доли сверхпроводящих областей. В результате по достижении Bк поле внутри уравнивается с полем вне образца (рис. 5, в), и весь образец переходит в нормальное состояние.

a)	б)	в)

Рис. 5. Сверхпроводник 2-го рода (в форме эллипсода вращения): а) не пропускает внутрь слабое магнитное поле; б) поле средней величины частично проникает внутрь такого сверхпроводника; в) когда поле достигает значения Bк для данного вещества, оно полностью проникает внутрь образца, который при этом переходит в нормальное состояние. S – сверхпроводящее cостояние, М – смешанное, N – нормальное

Все сверхпроводники с большим критическим полем являются сверхпроводниками 2-го рода. Именно они чаще всего используются на практике.

Чтобы заставить ток идти по нормальному металлу, нужно приложить электрическое напряжение. В сверхпроводнике нет сопротивления, и ток может течь и в отсутствие напряжения. Например, если пустить ток по сверхпроводящему кольцу, то он будет течь в нём сколь угодно долго без затухания, т.к. сопротивления нет. Будем называть этот ток незатухающим током. Протекая по кольцу, такой ток порождает магнитное поле, т.е. создаёт магнитный момент. Этот магнитный момент, как и все другие подобные явления в природе, должен описываться законами квантовой механики. Магнитный момент квантован. Он может принимать только определённые дискретные значения. Измерения величины такого магнитного момента привели к неожиданному результату: частицы в незатухающем токе – это не электроны, движущиеся отдельно и независимо друг от друга, а электронные пары, распространяющиеся как единое целое. Эта ситуация принципиально отличается от тока в нормальном металле, свойства которого полностью совпадают с ожидаемыми в случае отдельно движущихся электронов. Ситуация напоминает ту, как если бы мы проделали опыт с кислородом и обнаружили, что результаты имеют смысл, только если газ состоит не из отдельных атомов кислорода, а из связанных пар этих атомов.

Некоторые свойства веществ в сверхпроводящем состоянии совпадают с этими же свойствами в нормальном состоянии, но есть и сильные различия. Так, плотность и кристаллическая структура не меняются. В то же время теплопроводность и удельная теплоёмкость в двух состояниях различаются сильно. Например, поведение теплопроводности прямо противоположно тому, что можно было бы ожидать на основании нашего понимания нормальных металлов. Ранее мы видели, что металл, например медь, являющийся хорошим проводником электричества, обладает и хорошей теплопроводностью. Поэтому можно ожидать, что сверхпроводник окажется и сверхтеплопроводником. Всё наоборот: теплопроводность металла в сверхпроводящем состоянии меньше, чем в нормальном. В свинце, например, теплопроводность вблизи 0 К в сверхпроводящем состоянии примерно в миллион раз меньше, чем в нормальном. Металл, являющийся электрическим сверхпроводником, одновременно является и теплоизолятором. Так как в металле тепло переносится в основном электронами, то создаётся впечатление, что, хотя электроны в сверхпроводнике переносят электрический ток без всякого сопротивления со стороны вещества, они странным образом неохотно проводят теплоту. Удельная теплоёмкость в сверхпроводящем состоянии также меньше, чем в нормальном.

*В сверхпроводниках 2-го рода различают два критических поля: Bк1, когда внешнее поле начинает проникать в образец, и Bк2, когда поле пронизывает весь образец целиком и в нём уже нет сверхпроводящих областей. В данной статье под Bк для сверхпроводников 2-го рода подразумевается поле Bк2. В полях Bк1 < B < Bк2 cверхпроводник 2-го рода находится в так называемом смешанном состоянии. — Прим. пер.

Беллур Сиварамия Чандрасекар (Сокр. пер. с англ. А. В. Беркова)

ООО «АЭРО»
Санкт-Петербург
Телефон: +7 (812) 646-4825
E-mail: info@nrgsystem.ru

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/мм 2 ). 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 ��-вольфрама с общей формулой A₃B (Nb₃Ge, Nb₃Sn…) представляют собой технически крайне важную группу. Эти сверхпроводники второго рода могут иметь температуры перехода выше 20 К и верхние критические магнитные поля выше 20 Тл. Часто самые высокие значения критической температуры появляются только после длительного и тщательного отжига при нужной температуре. До открытия высокотемпературных сверхпроводников один представитель этой группы, а именно Nb₃Ge с T_c = 23.2 К, более десяти лет удерживал рекорд самой высокой температуры перехода.

В начале 2001 года Акимицу и его коллеги обнаружили, что ниже 40 К соединение диборид магния MgB₂ становится сверхпроводящим. Это было большим сюрпризом, что такое простое соединение имеет такую высокую критическую температуру. В MgB₂ сверхпроводимость обычно вызывается взаимодействием электронов с кристаллической решеткой. Однако в некотором смысле в данном материале можно найти два типа пар связанных электронов, что влияет на многие характерные свойства сверхпроводимости. MgB₂ выглядит многообещающим для технических приложений ввиду относительно высокой критической температуры и критического магнитного поля (15-20 Тл).

В 1985 году Р. Ф. Керл и Р. Э. Смолли, а также Х. В. Крото открыли одну из самых необычных молекул углерода — молекулу C₆₀. В этой молекуле, называемой фуллереном, 60 атомов углерода расположены в форме «футбольного мяча». Молекулы C₆₀ также могут образовывать кристаллы, в которые, в свою очередь, могут быть добавлены различные атомы. Таким образом получаются «фуллериды», которые в некоторых случаях становятся сверхпроводящими при удивительно высоких температурах. Здесь впервые была обнаружена сверхпроводимость соединения K₃C₆₀(T_c = 20 K). Также известны сверхпроводящие соединения Rb₃C₆₀ (T_c = 29.5 К), Cs₃C₆₀ (T_c = 40 К при приложении давления). Фуллериды и MgB₂ демонстрируют, что после стольких лет, в течение которых максимальная температура перехода оставалась фиксированной на уровне 23 К для Nb₃Ge, все еще могут быть обнаружены традиционные сверхпроводники с температурой перехода выше 30 К. Кроме того, эти материалы имеют высокие технические характеристики, привлекательные свойства, такие как очень высокое критическое магнитное поле.

Такие материалы, которые называют фазами Шевреля, имеют формулу — MMo₆X₈, где M обозначает атом металла (например, Sn или Pb) или атом редкоземельного элемента (например, Dy, Tb или Gd), а X обозначает серу или селен. Фазы Шевреля – традиционные сверхпроводники. Однако у них есть как минимум два свойства, которые делают их очень интересными. При низких температурах критическое магнитное поле в PbMo₆S₈ имеет значение 60 Тл. Из-за таких высоких значений фазы Шевреля представляют интерес для приложений с сильным магнитным полем, таких как создание магнитов. К сожалению, материалы довольно хрупкие. Следовательно, изготовление проводов очень сложно. В некоторых соединениях, в которых вместо M расположен атом редкоземельного элемента (например, Dy, Er, Gd или Tb), ниже температуры перехода помимо сверхпроводимости наблюдаются магнитные свойства. Для традиционных сверхпроводников сосуществование магнитных свойств и сверхпроводимости представляет собой очень редкое явление.

Карбиды бора представляют собой соединения типа RM₂B₂C, где R обозначает атом редкоземельного элемента (например, Tm, Er или Ho), а M обозначает Ni или Pd. Для карбидов бора, которые являются традиционными сверхпроводниками, можно наблюдать также сосуществование сверхпроводимости и магнитных свойств. Интересно, что для материала HoNi_0.95Co_0.05B₂C возникает явление возвратной сверхпроводимости. HoNi_0.95Co_0.05B₂C становится сверхпроводящим при 7 К. Затем при 5.5 К снова появляется нормальная проводимость. Однако примерно при 5 К наблюдается другой переход в сверхпроводящее состояние, и при еще более низких температурах материал остается сверхпроводящим.

Сверхпроводники с тяжелыми электронами (URu₂Si, UPt₃, UPd₂Al₃…). В конце 1970-х годов для соединения CeCu₂Si₂ наблюдался переход в сверхпроводимость при температуре около 0.5 К. Сверхпроводимость этого соединения была крайне удивительной, поскольку в этом металлическом проводнике масса электронов в несколько сотен — 1000 раз больше массы свободных электронов. Это результат взаимодействия между электронами и магнитными взаимодействиями в материале. Название «материалы с тяжелыми фермионами» указывает на эти чрезвычайно большие значения массы. Данные материалы являются нетрадиционными сверхпроводниками.

Оксиды обычно воспринимают как электроизоляционные материалы, и во многих случаях это правильно. Удивительно, что в случае с медьсодержащими оксидами именно этот класс материалов позволил открыть сверхпроводники с самыми высокими известными температурами перехода в сверхпроводящее состояние. Оксидные медьсодержащие материалы по праву можно считать наиболее исследуемыми материалами последних нескольких десятилетий. Наиболее известный представитель данной группы – YBa₂Cu₃O₇ (T_c = 92K) или как говорят в народе «фаза 123». Догадались почему? Данные материалы являются нетрадиционными, имеют крайне сложную структуру, из-за которой возможно изменение количества атомов кислорода, например, от 7 до 6 в фазе 123, что позволяет изменять свойства данных фаз. Считается, что сверхпроводимость в данных материалах сильно зависит от наличия и количества слоев CuO₂ в своей структуре. Купраты отличаются по крайней мере тремя очень интересными и необычными свойствами: их высоким значением T_c, атомарно малым значением размера пары электронов и нетрадиционным механизмом спаривания. Эти комбинации явно являются причиной большого исследовательского интереса к этим материалам в настоящее время.

Долгое время исследователи считали, что магнитные свойства материалов должны подавлять сверхпроводящие, поэтому для всех было большим сюрпризом открытия в начале 2008 года Хосоно и его коллегами из Токийского технологического института нового сверхпроводника, пниктида железа LaO_0,89F_0,11FeAs, который становится сверхпроводящим при 26 К. Структура этого соединения аналогична структуре медьсодержащих оксидов. Однако вместо слоев оксида меди он содержит плоскости арсенида железа. Сходство с купратными сверхпроводниками и тот факт, что, в частности, соединение железа показывает относительно высокую температуру перехода, вызвали огромный интерес среди физиков. Ситуацию можно сравнить с открытием купратных сверхпроводников, на которых установлен рекорд сверхпроводимости по температуре при нормальных условиях. Как и в случае с купратами, пниктиды железа проявляют магнитные свойства, однако в отличие от купратов они электропроводны. На основании данных материалов можно подумать, что, возможно, магнетизм и сверхпроводимость связаны друг с другом.

В 1980 году Жером и др. был открыт первый органический сверхпроводник, а именно гексафторфосфат тетраметилтетраселенофульвалена (TMTSF). Общая формула сверхпроводящих соединений здесь (TMTSF)₂X, где X может быть PF₆ и ClO₄, AsF₆ или TaF₆. Многие нобелевские лауреаты получившие заслуги за работы по сверхпроводимости считали, что именно среди органических соединений должны быть открыты комнатнотемпературные сверхпроводники. До сих пор этого не произошло, однако новый класс сверхпроводников был открыт. В настоящее время механизм образования сверхпроводящих пар электронов в органических сверхпроводниках остается неясным, за что их считают нетрадиционными.

Поиск сверхпроводящего металлического водорода при очень высоких давлениях долгое время считался крайне важной проблемой физики, так как ожидалось, что он будет сверхпроводящим при комнатной температуре. На данный момент металлический водород не открыли. Зато после открытия образования нового соединения в системе водород-сера при умеренных давлениях, теоретические расчеты предсказали, что сероводород при дальнейшем сжатии превратится в сверхпроводник с T_c вплоть до 200 K. Впоследствии была обнаружена сверхпроводимость с T_c = 203 K при 150 ГПа в образцах, образованных сжатием H₂S. В настоящее время исследователи ставят рекорды по температуре сверхпроводимости именно на системах с водородом с приложением к ним сверхвысоких давлений.

Такое многообразие сверхпроводящих материалов и наличия у них уникальных свойств – потрясающее. Перед исследователями всего мира стоит задача разобраться с удивительной физикой сверхпроводимости, а поняв ее принципы и законы, открыть комнатнотемпературный сверхпроводник. И все старания будут ненапрасными, ведь при этом можно ожидать значительный технологический скачок для всего человечества!

В данной статье перечислены лишь немногие общеизвестные классы сверхпроводящих материалов. Однако в настоящем веке появилось много других сверхпроводников со своими особенностями, про которые я расскажу в следующих публикациях.

Антон Матасов

ст. преподаватель кафедры ФТЭМК НИУ «МЭИ»

Персона 3 — Объяснение свойства электричества, связанного со сверхпроводимостью

В Persona 3 Reload много интересных и сложных вопросов. Один из них: «Какое свойство электричества имеет отношение к сверхпроводимости?». Это руководство дает ответ на эту проблему.

Источник: Persona 3 Reload, разработчик: Atlusi

Вопросы в Persona 3 Reload могут быть действительно сложными и неожиданными. Они связаны с различными аспектами общих, а иногда и не совсем общеизвестных знаний. Один из них связан с электричеством. В какой-то момент школьной жизни вам зададут вопрос: «Какое свойство электричества имеет отношение к сверхпроводимости». В этом руководстве вы найдете ответ.

Persona 3 Reload — какое свойство электричества имеет отношение к сверхпроводимости?

Экзаменационные и классные вопросы могут быть трудными. Как вы уже знаете, представленный ниже запрос — лишь один из многих запросов в игре. Если вы хотите узнать все ответы, посетите нашу отдельную статью.

Летние каникулы — это весело, но в какой-то момент вам придется вернуться в школу. С началом занятий, 1 сентября, вас может ожидать такой вопрос:

1. Вопрос: Какое свойство электричества имеет отношение к сверхпроводимости?
2. Ответ: Сопротивление.

Как вы уже догадались, вам следует запомнить этот класс, так как в будущем он будет участвовать в тестировании. Один из вопросов сентябрьского экзамена также касается электричества.

1. Вопрос: Что происходит, когда электрическое сопротивление достигает нуля? Подсказка: это слово я использовал, чтобы признаться кому-то в любви.
2. Ответ: Сверхпроводимость.

Если вы хотите узнать больше о Persona 3 Reload читайте также:

1. Persona 3 Reload — ответы пухлых студентов на викторину для гурманов
2. Persona 3 Reload — где найти все торговые автоматы, чтобы попробовать все напитки
3. Persona 3 Reload — где найти все торговые автоматы, чтобы попробовать все напитки
4. Persona 3 Reload — где найти все торговые автоматы, чтобы попробовать все напитки
5. Persona 3 Reload li>
6. Перезагрузка Persona 3: объяснение максимального уровня и лимита личности