Сверхпроводимость

Высокотемпературный сверхпроводник, парящий над магнитом. По поверхности сверхпроводника течет постоянный электрический ток, исключающий магнитное поле магнита ( эффект Мейснера ). Этот ток эффективно образует электромагнит, который отталкивает магнит.

Сверхпроводимость — это набор физических свойств, наблюдаемых в некоторых материалах, при которых электрическое сопротивление исчезает и магнитные поля вытесняются из материала. Любой материал, обладающий этими свойствами, является сверхпроводником . В отличие от обычного металлического проводника , сопротивление которого постепенно уменьшается при понижении его температуры, вплоть до почти абсолютного нуля , сверхпроводник имеет характерную критическую температуру, ниже которой сопротивление резко падает до нуля. Электрический ток через петлю из сверхпроводящего провода может сохраняться неопределенно долго без источника питания.

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом . Подобно ферромагнетизму и атомным спектральным линиям , сверхпроводимость — явление, которое можно объяснить только с помощью квантовой механики . Он характеризуется эффектом Мейснера — полным подавлением магнитного поля внутри сверхпроводника при его переходах в сверхпроводящее состояние. Возникновение эффекта Мейсснера указывает на то, что сверхпроводимость нельзя понимать просто как идеализацию идеальной проводимости в классической физике .

В 1986 году было обнаружено, что некоторые купратно - перовскитные керамические материалы имеют критическую температуру выше 90 К (-183 °С). Такая высокая температура перехода теоретически невозможна для обычного сверхпроводника , поэтому материалы стали называть высокотемпературными сверхпроводниками . Дешевый жидкий азот-хладагент кипит при 77 К (-196 ° C), и, таким образом, существование сверхпроводимости при более высоких температурах облегчает множество экспериментов и применений, которые менее практичны при более низких температурах.

Классификация

Основная статья: Классификация сверхпроводников

Существует множество критериев, по которым классифицируются сверхпроводники. Наиболее распространенными являются:

Реакция на магнитное поле

Сверхпроводник может быть типа I , что означает, что он имеет единственное критическое поле , выше которого вся сверхпроводимость теряется, а ниже которого магнитное поле полностью вытесняется из сверхпроводника; или Тип II , что означает, что он имеет два критических поля, между которыми он допускает частичное проникновение магнитного поля через изолированные точки. Эти точки называются вихрями . Более того, в многокомпонентных сверхпроводниках возможна комбинация этих двух поведений. В этом случае сверхпроводник относится к типу 1,5 .

По теории работы

Сверхпроводник является традиционным , если он управляется электрон-фононным взаимодействием и объясняется обычной теорией БКШ или ее расширением, теорией Элиашберга . В противном случае это нестандартно . Альтернативно, сверхпроводник называется нетрадиционным, если сверхпроводящий параметр порядка преобразуется согласно нетривиальному неприводимому представлению точечной группы или пространственной группы системы.

По критической температуре

Сверхпроводник обычно считается высокотемпературным, если он достигает сверхпроводящего состояния при температуре выше 30 К (-243,15 ° C); как и в первоначальном открытии Георга Беднорца и К. Алекса Мюллера . Это может также относиться к материалам, которые переходят в сверхпроводимость при охлаждении с использованием жидкого азота , то есть только при T _c > 77 К, хотя обычно это используется только для того, чтобы подчеркнуть, что жидкого азотного охладителя достаточно. Низкотемпературные сверхпроводники относятся к материалам с критической температурой ниже 30 К и охлаждаются преимущественно жидким гелием ( Т _с > 4,2 К). Единственным исключением из этого правила является группа сверхпроводников пниктида железа , которые демонстрируют поведение и свойства, типичные для высокотемпературных сверхпроводников, однако некоторые из этой группы имеют критические температуры ниже 30 К.

По материалу

Вверху: Периодическая таблица сверхпроводящих элементарных твердых тел и их экспериментальная критическая температура (T).
Внизу: Периодическая таблица сверхпроводящих бинарных гидридов (0–300 ГПа). Теоретические предсказания обозначены синим цветом, а экспериментальные результаты - красным.

Классы сверхпроводниковых материалов включают химические элементы (например, ртуть или свинец ), сплавы (такие как ниобий-титан , германий-ниобий и нитрид ниобия ), керамику ( YBCO и диборид магния ), сверхпроводящие пниктиды (например, LaOFeAs, легированные фтором) или органические сверхпроводники. ( фуллерены и углеродные нанотрубки ; хотя, возможно, эти примеры следует отнести к химическим элементам, так как в их состав входят полностью из углерода ).

Элементарные свойства сверхпроводников

Некоторые физические свойства сверхпроводников различаются от материала к материалу, такие как критическая температура, величина сверхпроводящей щели , критическое магнитное поле и критическая плотность тока, при которой сверхпроводимость разрушается. С другой стороны, существует класс свойств, которые не зависят от основного материала. Наиболее важными примерами являются эффект Мейснера, квантование магнитного потока или постоянных токов, т.е. состояние нулевого сопротивления. Существование этих «универсальных» свойств коренится в природе нарушения симметрии сверхпроводника и возникновении недиагонального дальнего порядка . Сверхпроводимость является термодинамической фазой и, таким образом, обладает определенными отличительными свойствами, которые в значительной степени не зависят от микроскопических деталей. Недиагональный дальний порядок тесно связан с образованием куперовских пар .

Нулевое электрическое сопротивление постоянному току

Электрические кабели для ускорителей в ЦЕРН . массивные, и тонкие кабели рассчитаны на ток 12 500 А. И Сверху: штатные кабели для ЛЭП ; внизу: кабели на основе сверхпроводников для БАКа.

Поперечный разрез предварительно сформированного сверхпроводникового стержня из заброшенного Техасского сверхпроводящего суперколлайдера (SSC)

Самый простой способ измерить электрическое сопротивление образца какого-либо материала — включить его в электрическую цепь последовательно с источником тока I и измерить результирующее напряжение V на образце. Сопротивление образца определяется законом Ома как R = V/I . Если напряжение равно нулю, это означает, что сопротивление равно нулю.

Сверхпроводники также способны поддерживать ток без какого-либо приложенного напряжения — свойство, используемое в сверхпроводящих электромагнитах, таких как те, что используются в аппаратах МРТ . Эксперименты показали, что токи в сверхпроводящих катушках могут сохраняться годами без какого-либо измеримого ухудшения. Экспериментальные данные указывают на продолжительность жизни не менее 100 000 лет. Теоретические оценки времени жизни постоянного тока могут превышать предполагаемое время жизни Вселенной, в зависимости от геометрии провода и температуры. На практике токи, инжектированные в сверхпроводящие катушки, сохранялись в сверхпроводящем гравиметре в Бельгии в течение 28 лет, 7 месяцев и 27 дней, с 4 августа 1995 года по 31 марта 2024 года. В таких приборах измерение основано на контроле левитации сверхпроводящей ниобиевой сферы массой четыре грамма.

В обычном проводнике электрический ток можно представить как жидкость электронов , движущихся по тяжелой ионной решетке. Электроны постоянно сталкиваются с ионами в решетке, и во время каждого столкновения некоторая часть энергии, переносимой током, поглощается решеткой и преобразуется в тепло , которое, по сути, представляет собой колебательную кинетическую энергию ионов решетки. В результате энергия, переносимая током, постоянно рассеивается. Это явление электрического сопротивления и джоулева нагрева .

Иная ситуация в сверхпроводнике. В обычном сверхпроводнике электронная жидкость не может быть разделена на отдельные электроны. Вместо этого он состоит из связанных пар электронов, известных как куперовские пары . Это спаривание вызвано силой притяжения между электронами в результате обмена фононами . Это соединение очень слабое, и небольшие тепловые вибрации могут разрушить связь. Согласно квантовой механике , энергетический спектр этой жидкости куперовской пары обладает энергетической щелью , а это означает, что существует минимальное количество энергии Δ E , которое необходимо передать, чтобы возбудить жидкость. Следовательно, если ΔE больше тепловой энергии решетки, определяемой kT , где k — постоянная Больцмана , а T — температура , жидкость не будет рассеиваться решеткой. Таким образом, жидкость куперовской пары является сверхтекучей , то есть она может течь без рассеивания энергии.

В классе сверхпроводников, известных как сверхпроводники II рода , включая все известные высокотемпературные сверхпроводники , чрезвычайно низкое, но ненулевое удельное сопротивление появляется при температурах, не слишком ниже номинального сверхпроводящего перехода, когда электрический ток прикладывается в сочетании с сильным магнитным полем. поле, которое может быть вызвано электрическим током. Это происходит из-за движения магнитных вихрей в электронной сверхтекучей жидкости, рассеивающей часть энергии, переносимой током. Если ток достаточно мал, вихри стационарны и удельное сопротивление исчезает. Сопротивление, вызванное этим эффектом, ничтожно по сравнению с сопротивлением несверхпроводящих материалов, но его необходимо учитывать в чувствительных экспериментах. Однако, когда температура падает достаточно далеко ниже номинального сверхпроводящего перехода, эти вихри могут замерзнуть в неупорядоченную, но стационарную фазу, известную как «вихревое стекло». Ниже этой температуры вихревого стеклования сопротивление материала становится действительно нулевым.

Фазовый переход

Поведение теплоемкости ( cv _, синий) и удельного сопротивления ( ρ , зеленый) при сверхпроводящем фазовом переходе

В сверхпроводящих материалах характеристики сверхпроводимости проявляются при температуры Т понижении ниже критической температуры Т _с . Значение этой критической температуры варьируется от материала к материалу. Обычные сверхпроводники обычно имеют критические температуры в диапазоне от примерно 20 К до менее 1 К. Например, твердая ртуть имеет критическую температуру 4,2 К. По состоянию на 2015 год самая высокая критическая температура, обнаруженная для обычного сверхпроводника, составляет 203 К для H _{2 .} S, хотя требовалось высокое давление примерно в 90 гигапаскалей. Купратные сверхпроводники могут иметь гораздо более высокие критические температуры: YBa ₂ Cu ₃ O ₇ , один из первых открытых купратных сверхпроводников, имеет критическую температуру выше 90 К, а купраты на основе ртути были обнаружены с критическими температурами, превышающими 130 К. Основной физический механизм, ответственный за высокую критическую температуру, пока не ясен. Однако очевидно, что здесь имеет место двухэлектронное спаривание, хотя природа спаривания ( $s$ волна против. $d$ волна) остается спорным.

Аналогичным образом, при фиксированной температуре ниже критической температуры сверхпроводящие материалы перестают быть сверхпроводящими при приложении внешнего магнитного поля , превышающего критическое магнитное поле . Это связано с тем, что свободная энергия Гиббса сверхпроводящей фазы увеличивается квадратично с увеличением магнитного поля, в то время как свободная энергия нормальной фазы примерно не зависит от магнитного поля. Если материал является сверхпроводящим в отсутствие поля, то свободная энергия сверхпроводящей фазы меньше, чем у нормальной фазы и, следовательно, для некоторого конечного значения магнитного поля (пропорционального квадратному корню из разности свободных энергий при нуле). магнитное поле) две свободные энергии будут равны и произойдет фазовый переход в нормальную фазу. В более общем смысле, более высокая температура и более сильное магнитное поле приводят к меньшей доле сверхпроводящих электронов и, следовательно, к большей лондонской глубине проникновения внешних магнитных полей и токов. Глубина проникновения становится бесконечной при фазовом переходе.

Возникновение сверхпроводимости сопровождается резкими изменениями различных физических свойств, что является признаком фазового перехода . Например, электронная теплоемкость пропорциональна температуре в нормальном (несверхпроводящем) режиме. При сверхпроводящем переходе он претерпевает скачок и после этого перестает быть линейным. Вместо этого при низких температурах он меняется как e ^{− а / Т} для некоторой константы α . Такое экспоненциальное поведение является одним из доказательств существования энергетической щели .

Порядок долгое время был сверхпроводящего фазового перехода предметом споров. нет Эксперименты показывают, что переход является вторым родом, то есть скрытой теплоты . Однако при наличии внешнего магнитного поля существует скрытое тепло, поскольку сверхпроводящая фаза имеет меньшую энтропию ниже критической температуры, чем нормальная фаза. Это было экспериментально продемонстрировано что, как следствие, при увеличении магнитного поля за пределами критического поля возникающий фазовый переход приводит к снижению температуры сверхпроводящего материала.

Расчеты 1970-х годов показали, что на самом деле оно может быть слабым первого порядка из-за влияния дальнодействующих флуктуаций электромагнитного поля. В 1980-е годы с помощью теории поля беспорядка , в которой главную роль играют вихревые линии сверхпроводника, было теоретически показано, что переход имеет второй род в режиме II рода и первый порядок (т. е. скрытое тепло ) в режиме типа I и что две области разделены трикритической точкой . Результаты были убедительно подтверждены компьютерным моделированием Монте-Карло.

Эффект Мейснера

Основная статья: эффект Мейснера

Продолжительность: 40 секунд. 0:40

Эффект Мейсснера в высокотемпературном сверхпроводнике (черная таблетка) с магнитом NdFeB (металлический)

Когда сверхпроводник помещается в слабое внешнее магнитное поле H и охлаждается ниже температуры перехода, магнитное поле выбрасывается. Эффект Мейсснера не приводит к полному выбросу поля, а вместо этого поле проникает в сверхпроводник, но только на очень небольшое расстояние, характеризуемое параметром λ , называемым глубиной проникновения Лондона , экспоненциально спадающим до нуля в объеме материала. . Эффект Мейснера является определяющей характеристикой сверхпроводимости. Для большинства сверхпроводников глубина проникновения Лондона составляет порядка 100 нм.

Эффект Мейсснера иногда путают с тем типом диамагнетизма, который можно было бы ожидать в идеальном электрическом проводнике: согласно закону Ленца , когда к проводнику прикладывается изменяющееся магнитное поле, оно индуцирует в проводнике электрический ток, который создает противоположное магнитное поле. поле. В идеальном проводнике может индуцироваться сколь угодно большой ток, и возникающее магнитное поле точно нейтрализует приложенное поле.

От этого отличается эффект Мейснера – это самопроизвольное изгнание, происходящее при переходе к сверхпроводимости. Предположим, у нас есть материал в нормальном состоянии, содержащий постоянное внутреннее магнитное поле. Когда материал охлаждается ниже критической температуры, мы наблюдаем резкое изгнание внутреннего магнитного поля, чего не ожидаем на основании закона Ленца.

Эффект Мейсснера получил феноменологическое объяснение братьями Фрицем и Хайнцем Лондонами , показавшими, что свободная электромагнитная энергия в сверхпроводнике минимизируется при условии, что $$\nabla ^{2}\mathbf {H} =\lambda ^{-2}\mathbf {H} \,$$ где H — магнитное поле, а λ — глубина проникновения Лондона.

Это уравнение, известное как уравнение Лондона , предсказывает, что магнитное поле в сверхпроводнике затухает экспоненциально от любого значения, которым оно обладает на поверхности.

Говорят, что сверхпроводник с небольшим магнитным полем или вообще без него находится в состоянии Мейснера. Состояние Мейсснера нарушается, когда приложенное магнитное поле слишком велико. Сверхпроводники можно разделить на два класса в зависимости от того, как происходит этот пробой. В сверхпроводниках типа I сверхпроводимость резко разрушается, когда напряженность приложенного поля превышает критическое значение H _c . В зависимости от геометрии образца можно получить промежуточное состояние состоящий из узора в стиле барокко областей нормального материала, несущего магнитное поле, смешанного с областями сверхпроводящего материала, не содержащего поля. В сверхпроводниках типа II увеличение приложенного поля выше критического значения H _c1 приводит к смешанному состоянию (также известному как вихревое состояние), при котором все большее количество магнитного потока проникает в материал, но сопротивления потоку электрического тока не остается. ток, пока ток не слишком велик. При второй критической напряженности поля H _c2 сверхпроводимость разрушается. Смешанное состояние на самом деле вызвано вихрями в электронной сверхтекучей жидкости, иногда называемыми флаксонами, поскольку поток, переносимый этими вихрями квантован , . Большинство чистых элементарных сверхпроводников, за исключением ниобия и углеродных нанотрубок , относятся к типу I, тогда как почти все примесные и составные сверхпроводники относятся к типу II.

Лондонский момент

Основная статья: Лондонский момент

И наоборот, вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно ориентированное по оси вращения. Эффект, лондонский момент, нашел хорошее применение в Gravity Probe B. В этом эксперименте были измерены магнитные поля четырех сверхпроводящих гироскопов, чтобы определить их оси вращения. Это имело решающее значение для эксперимента, поскольку это один из немногих способов точно определить ось вращения безликой сферы.

История

Основная статья: История сверхпроводимости

Хайке Камерлинг-Оннес (справа), первооткрыватель сверхпроводимости. Пауль Эренфест , Хендрик Лоренц , Нильс Бор стоят слева от него.

Сверхпроводимость была открыта 8 апреля 1911 года Хейке Камерлинг-Оннесом, который изучал устойчивость твердой ртути при криогенных температурах, используя недавно полученный жидкий гелий в качестве хладагента . При температуре 4,2 К он заметил, что сопротивление резко исчезло. В том же эксперименте он также наблюдал сверхтекучий переход гелия при 2,2 К, не осознавая его значения. Точная дата и обстоятельства открытия были реконструированы только столетие спустя, когда была найдена записная книжка Оннеса. В последующие десятилетия сверхпроводимость наблюдалась и в ряде других материалов. В 1913 году было обнаружено, что свинец обладает сверхпроводимостью при температуре 7 К, а в 1941 году нитрида ниобия — сверхпроводимостью при температуре 16 К.

Большие усилия были направлены на выяснение того, как и почему работает сверхпроводимость; Важный шаг произошел в 1933 году, когда Мейснер и Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники испускают приложенные магнитные поля - явление, которое стало известно как эффект Мейснера. В 1935 году Фриц и Хайнц Лондон показали, что эффект Мейснера является следствием минимизации свободной электромагнитной энергии, переносимой сверхпроводящим током.

Лондонские материальные уравнения

Теоретическая модель сверхпроводимости, которая была впервые предложена, была полностью классической: она резюмировалась определяющими уравнениями Лондона . Она была выдвинута братьями Фрицем и Хайнцем Лондонами в 1935 году, вскоре после открытия того, что магнитные поля вытесняются из сверхпроводников. Главным триумфом уравнений этой теории является их способность объяснить эффект Мейсснера. при этом материал экспоненциально вытесняет все внутренние магнитные поля при пересечении порога сверхпроводимости. Используя уравнение Лондона, можно получить зависимость магнитного поля внутри сверхпроводника от расстояния до поверхности.

Два основных уравнения для сверхпроводника по Лондону: $${\frac {\partial \mathbf {j} }{\partial t}}={\frac {ne^{2}}{m}}\mathbf {E} ,\qquad \mathbf {\nabla } \times \mathbf {j} =-{\frac {ne^{2}}{m}}\mathbf {B} .$$ Первое уравнение следует из второго закона Ньютона для сверхпроводящих электронов.

Традиционные теории (1950-е годы)

В 1950-е годы физики-теоретики конденсированного состояния пришли к пониманию «обычной» сверхпроводимости с помощью пары замечательных и важных теорий: феноменологической теории Гинзбурга-Ландау (1950) и микроскопической теории БКШ (1957).

В 1950 году феноменологическую теорию сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау разработали Ландау и Гинзбург . Эта теория, объединившая теорию фазовых переходов второго рода Ландау с волновым уравнением типа Шредингера , имела большой успех в объяснении макроскопических свойств сверхпроводников. В частности, Абрикосов показал, что теория Гинзбурга-Ландау предсказывает разделение сверхпроводников на две категории, которые сейчас называются типом I и типом II. Абрикосов и Гинзбург были удостоены Нобелевской премии 2003 года за свою работу (Ландау получил Нобелевскую премию 1962 года за другие работы и умер в 1968 году). Четырехмерное расширение теории Гинзбурга-Ландау, модель Коулмана-Вайнберга , важно в квантовой теории поля и космологии .

Также в 1950 году Максвелл и Рейнольдс и др. обнаружил, что критическая температура сверхпроводника зависит от изотопной массы составляющего элемента. Это важное открытие указало на электрон - фононное взаимодействие как микроскопический механизм, ответственный за сверхпроводимость.

Полная микроскопическая теория сверхпроводимости была наконец предложена в 1957 году Бардином , Купером и Шриффером . Эта теория БКШ объясняла сверхпроводящий ток как сверхтекучую жидкость куперовских пар, пар электронов, взаимодействующих посредством обмена фононами. За эту работу авторы были удостоены Нобелевской премии в 1972 году.

Теория БКШ получила более прочную основу в 1958 году, когда Н. Н. Боголюбов показал, что волновая функция БКШ, первоначально полученная на основе вариационного аргумента, может быть получена с помощью канонического преобразования электронного гамильтониана . В 1959 году Лев Горьков показал, что теория БКШ сводится к теории Гинзбурга – Ландау вблизи критической температуры.

Обобщения теории БКШ для обычных сверхпроводников составляют основу понимания явления сверхтекучести , поскольку они попадают в класс универсальности лямбда-перехода . Степень применимости таких обобщений к нетрадиционным сверхпроводникам до сих пор остается спорной.

Дальнейшая история

Первое практическое применение сверхпроводимости было разработано в 1954 году, когда Дадли Аллен Бак изобрел криотрон . Два сверхпроводника с сильно различающимися значениями критического магнитного поля объединяются для создания быстрого и простого переключателя компьютерных элементов.

Вскоре после открытия сверхпроводимости в 1911 году Камерлинг-Оннес попытался создать электромагнит со сверхпроводящими обмотками, но обнаружил, что относительно слабые магнитные поля разрушают сверхпроводимость в исследованных им материалах. Намного позже, в 1955 году, Г.Б. Интема удалось сконструировать небольшой электромагнит с железным сердечником силой 0,7 Тесла и обмотками из сверхпроводящей ниобиевой проволоки. Затем, в 1961 году, Дж. Э. Кунцлер , Э. Бюлер, ФСЛ Сюй и Дж. Х. Верник сделал поразительное открытие, что при температуре 4,2 К ниобий-олово , соединение, состоящее из трех частей ниобия и одной части олова, способно поддерживать плотность тока более 100 000 ампер на квадратный сантиметр в магнитном поле 8,8 тесла. Несмотря на хрупкость и сложность изготовления, ниобий-олово с тех пор оказалось чрезвычайно полезным в супермагнитах, генерирующих магнитные поля силой до 20 Тесла. В 1962 году Т.Г. Берлинкур и Р.Р. Хейк обнаружил, что более пластичные сплавы ниобия и титана подходят для применений до 10 тесла. Сразу после этого коммерческое производство ниобий-титановой супермагнитной проволоки началось в Westinghouse Electric Corporation и Wah Chang Corporation . Хотя ниобий-титан обладает менее впечатляющими сверхпроводящими свойствами, чем свойства ниобия-олова, ниобий-титан, тем не менее, стал наиболее широко используемым супермагнитным материалом «рабочей лошадкой», в значительной степени вследствие его очень высокой пластичности и простоты изготовления. Однако как ниобий-олово, так и ниобий-титан находят широкое применение в медицинских устройствах визуализации МРТ, изгибающих и фокусирующих магнитах для огромных ускорителей частиц высокой энергии и во множестве других применений. Conectus, европейский консорциум по сверхпроводимости, подсчитал, что в 2014 году глобальная экономическая деятельность, для которой сверхпроводимость была необходима, составила около пяти миллиардов евро, причем на системы МРТ приходилось около 80% от этой суммы.

В 1962 году Джозефсон сделал важное теоретическое предсказание о том, что сверхток может течь между двумя частями сверхпроводника, разделенными тонким слоем изолятора. Это явление, теперь называемое эффектом Джозефсона , используется в сверхпроводящих устройствах, таких как СКВИДы . Он используется при наиболее точных доступных измерениях кванта магнитного потока Φ ₀ = h /(2 e ), где h — постоянная Планка . В сочетании с квантовым сопротивлением Холла это приводит к точному измерению постоянной Планка. За эту работу Джозефсон был удостоен Нобелевской премии в 1973 году.

В 2008 году было высказано предположение, что тот же механизм, который создает сверхпроводимость, может создавать состояние суперизолятора в некоторых материалах с почти бесконечным электрическим сопротивлением . Первая разработка и исследование сверхпроводящего конденсата Бозе-Эйнштейна (БЭК) в 2020 году предполагает, что существует «плавный переход между» режимами БЭК и режимами Бардина-Купера-Шриффера .

Высокотемпературная сверхпроводимость

Основная статья: Высокотемпературная сверхпроводимость

Хронология сверхпроводящих материалов. Цвета представляют разные классы материалов:

•   БКС (темно-зеленый кружок)
•   На основе тяжелых фермионов (светло-зеленая звезда)
•   Купрат (голубой бриллиант)
•   На основе бакминстерфуллерена (фиолетовый перевернутый треугольник)
•   Углерод – аллотроп (красный треугольник)
•   Железо ( на основе пиктогена оранжевый квадрат)
•   Рутенат стронция (серый пятиугольник)
•   На основе никеля (розовая шестиконечная звезда)

До 1986 года физики считали, что теория БКШ запрещает сверхпроводимость при температурах выше 30 К. В том же году Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость в оксиде лантана, бария, меди (LBCO), материале на основе лантана купратно- перовскитном , температура перехода которого составляла 35 К (Нобелевская премия по физике, 1987 г.). Вскоре было обнаружено, что замена лантана иттрием (т. е. создание YBCO) подняла критическую температуру выше 90 К.

Этот скачок температуры имеет особое инженерное значение, поскольку позволяет использовать жидкий азот в качестве хладагента, заменяя жидкий гелий. Жидкий азот можно производить относительно дешево даже на месте. Более высокие температуры также помогают избежать некоторых проблем, возникающих при температурах жидкого гелия, таких как образование пробок из замороженного воздуха, которые могут блокировать криогенные линии и вызывать непредвиденное и потенциально опасное повышение давления.

С тех пор было открыто множество других купратных сверхпроводников, и теория сверхпроводимости в этих материалах является одной из важнейших нерешенных задач теоретической физики конденсированного состояния . В настоящее время существуют две основные гипотезы — теория резонирующей валентной связи и теория спиновых флуктуаций, которая пользуется наибольшей поддержкой в ​​исследовательском сообществе. Вторая гипотеза предполагала, что спаривание электронов в высокотемпературных сверхпроводниках осуществляется посредством спиновых волн ближнего действия, известных как парамагноны .

В 2008 году голографическая сверхпроводимость, использующая голографическую двойственность или теорию соответствия AdS/CFT , была предложена Губсером, Хартноллом, Герцогом и Горовицем в качестве возможного объяснения высокотемпературной сверхпроводимости в некоторых материалах.

Примерно с 1993 года самым известным высокотемпературным сверхпроводником был керамический материал, состоящий из ртути, бария, кальция, меди и кислорода (HgBa ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _8+δ ) с T _c = 133–138 К.

В феврале 2008 года было обнаружено семейство высокотемпературных сверхпроводников на основе железа. Хидео Хосоно из Токийского технологического института и его коллеги обнаружили лантан, кислород, фтор, арсенид железа (LaO _1-x F _x FeAs), оксипниктид , который является сверхпроводящим при температуре ниже 26 К. Замена лантана в LaO _{1- x} F _x FeAs самариевыми свинцами к сверхпроводникам, работающим при 55 К.

В 2014 и 2015 годах сероводород ( H
₂ S ) при чрезвычайно высоких давлениях (около 150 гигапаскалей) был сначала предсказан, а затем подтвержден как высокотемпературный сверхпроводник с температурой перехода 80 К. Кроме того, в 2019 году было обнаружено, что гидрид лантана ( LaH
₁₀ ) становится сверхпроводником при 250 К и давлении 170 гигапаскалей.

В 2018 году исследовательская группа из физического факультета Массачусетского технологического института обнаружила сверхпроводимость в двухслойном графене с одним слоем, закрученным под углом примерно 1,1 градуса, при охлаждении и приложении небольшого электрического заряда. Даже если эксперименты не проводились в высокотемпературной среде, результаты меньше коррелируют с классическими, но высокотемпературными сверхпроводниками, поскольку не требуется введение посторонних атомов. Эффект сверхпроводимости возник в результате закручивания электронов в вихрь между слоями графена, получивший название « скирмионы ». Они действуют как одна частица и могут объединяться в пары в слоях графена, создавая основные условия, необходимые для сверхпроводимости.

В 2020 году был описан сверхпроводник при комнатной температуре (критическая температура 288 К), изготовленный из водорода, углерода и серы под давлением около 270 гигапаскалей в статье в журнале Nature . Однако в 2022 году статья была отозвана редакцией, поскольку обоснованность процедур вычитания фона была поставлена ​​под сомнение. Все девять авторов утверждают, что исходные данные убедительно подтверждают основные утверждения статьи.

31 декабря 2023 года в журнале «Advanced Quantum Technologies» была опубликована статья «Глобальная сверхпроводимость графита при комнатной температуре», в которой утверждается, что она демонстрирует сверхпроводимость при комнатной температуре и давлении окружающей среды в высокоориентированном пиролитическом графите с плотными массивами почти параллельных линейных дефектов.

Приложения

Основная статья: Технологические применения сверхпроводимости

Продолжительность: 10 секунд. 0:10

Видео сверхпроводящей левитации YBCO

Сверхпроводники являются многообещающими материалами-кандидатами для разработки фундаментальных элементов электронных, спинтронных и квантовых технологий. Одним из таких примеров является сверхпроводящий диод. в которых сверхток течет только в одном направлении, что обещает бездиссипативные сверхпроводящие и полупроводниково-сверхпроводниковые гибридные технологии.

Сверхпроводящие магниты являются одними из самых мощных известных электромагнитов . Они используются в аппаратах МРТ / ЯМР , масс-спектрометрах , магнитах управления лучом, используемых в ускорителях частиц , и магнитах, удерживающих плазму в некоторых токамаках . Их также можно использовать для магнитной сепарации, при которой слабомагнитные частицы выделяются из фона менее магнитных или немагнитных частиц, как в пигментной промышленности. Их также можно использовать в больших ветряных турбинах для преодоления ограничений, налагаемых высокими электрическими токами: сверхпроводящий ветряной генератор промышленного класса мощностью 3,6 мегаватт успешно прошел испытания в Дании.

В 1950-х и 1960-х годах сверхпроводники использовались для создания экспериментальных цифровых компьютеров с использованием криотронных переключателей. Совсем недавно сверхпроводники стали использоваться для создания цифровых схем на основе быстрых однопоточных квантов технологии , а также радиочастотных и микроволновых фильтров для мобильных телефонов базовых станций .

Сверхпроводники используются для создания джозефсоновских переходов , которые являются строительными блоками СКВИДов (сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств), самых чувствительных магнитометров известных . СКВИДы используются в сканирующих СКВИД-микроскопах и магнитоэнцефалографии . Серия устройств Джозефсона используется для реализации СИ вольта . Сверхпроводящие детекторы фотонов могут быть реализованы в различных конфигурациях устройств. В зависимости от конкретного режима работы джозефсоновский переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник может использоваться как детектор фотонов или как смеситель . Большое изменение сопротивления при переходе из нормального состояния в сверхпроводящее используется для построения термометров в криогенных микрокалориметрах- фотонов детекторах . Тот же эффект используется в сверхчувствительных болометрах из сверхпроводящих материалов. Сверхпроводящие однофотонные детекторы на нанопроводах обеспечивают высокоскоростное и малошумное обнаружение одиночных фотонов и широко используются в современных приложениях подсчета фотонов .

Возникают другие ранние рынки, где относительная эффективность, преимущества в размерах и весе устройств на основе высокотемпературной сверхпроводимости перевешивают связанные с этим дополнительные затраты. Например, в ветряных турбинах меньший вес и объем сверхпроводящих генераторов может привести к экономии затрат на строительство и башню, компенсируя более высокие затраты на генератор и снижая общую приведенную стоимость электроэнергии (LCOE).

Многообещающие будущие применения включают в себя высокопроизводительные интеллектуальные сети , передачу электроэнергии , трансформаторы , устройства накопления энергии , компактные термоядерные устройства , электродвигатели (например, для движения транспортных средств, таких как поезда на магнитной подвеске или поезда на магнитной подвеске ), устройства магнитной левитации , ограничители тока повреждения , усовершенствование устройства спинтроники со сверхпроводящими материалами, и сверхпроводящее магнитное охлаждение . Однако сверхпроводимость чувствительна к движущимся магнитным полям, поэтому приложения, использующие переменный ток (например, трансформаторы), будет сложнее разработать, чем приложения, основанные на постоянном токе . По сравнению с традиционными линиями электропередачи сверхпроводящие линии электропередачи более эффективны и требуют лишь небольшой площади, что не только приведет к улучшению экологических показателей, но также может улучшить общественное признание расширения электрической сети. Еще одним привлекательным промышленным аспектом является способность передавать большую мощность при более низких напряжениях. Достижения в эффективности систем охлаждения и использование дешевых хладагентов, таких как жидкий азот, также значительно снизили затраты на охлаждение, необходимое для сверхпроводимости.

Нобелевские премии

По состоянию на 2022 год было присуждено пять Нобелевских премий по физике по предметам, связанным со сверхпроводимостью:

• Хайке Камерлинг-Оннес (1913) «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели, среди прочего, к образованию жидкого гелия».
• Джон Бардин , Леон Н. Купер и Дж. Роберт Шриффер (1972) «за совместно разработанную теорию сверхпроводимости, обычно называемую теорией БКШ».
• Лео Эсаки , Ивар Гиавер и Брайан Д. Джозефсон (1973) «за экспериментальные открытия, касающиеся туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках соответственно» и «за теоретические предсказания свойств сверхтока через туннельный барьер, в частности тех, которые явления, которые обычно известны как эффекты Джозефсона».
• Георг Беднорц и К. Алекс Мюллер (1987) «за важный прорыв в открытии сверхпроводимости в керамических материалах».
• Алексей Абрикосов , Виталий Гинзбург и Энтони Дж. Леггетт (2003) «за новаторский вклад в теорию сверхпроводников и сверхжидкостей».

См. также

• Водородная криомагнетика
• MXenes
• Графеновый провод
• Сверхпроводящий магнитный накопитель энергии

Дальнейшее чтение

• Уравнение Шрёдингера в классическом контексте: Семинар по сверхпроводимости – Фейнмановские лекции по физике .
• IEC Стандарт 60050-815:2000, Международный электротехнический словарь (IEV) – Часть 815: Сверхпроводимость. Архивировано 7 марта 2020 г. в Wayback Machine .
• Кляйнерт, Хаген (1989). «Сверхпоток и вихревые линии» . Калибровочные поля в конденсированном состоянии . Том. 1. Мировая научная. ISBN  978-9971-5-0210-2 .
• Ларкин, Анатолий; Варламов, Андрей (2005). Теория флуктуаций в сверхпроводниках . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-852815-9 .
• Лебедь, А.Г. (2008). Физика органических сверхпроводников и проводников . Том. 110 (1-е изд.). Спрингер. ISBN  978-3-540-76667-4 .
• Матрикон, Жан; Уэйсанд, Жорж; Гласхауссер, Чарльз (2003). Холодные войны: история сверхпроводимости . Издательство Университета Рутгерса. ISBN  978-0-8135-3295-0 .
• «Физик открыл экзотическую сверхпроводимость» . ScienceDaily . 17 августа 2006 г.
• Тинкхэм, Майкл (2004). Введение в сверхпроводимость (2-е изд.). Дуврские книги. ISBN  978-0-486-43503-9 .
• Типлер, Пол; Ллевелин, Ральф (2002). Современная физика (4-е изд.). У. Х. Фриман. ISBN  978-0-7167-4345-3 .
• О'Махони, Шейн М.; Оксфордский университет (2022 г.). «О механизме электронного спаривания медно-оксидной высокотемпературной сверхпроводимости» . Труды Национальной академии наук . 119 (37): e2207449119. arXiv : 2108.03655 . Бибкод : 2022PNAS..11907449O . дои : 10.1073/pnas.2207449119 . ПМЦ   9477408 . ПМИД   36067325 .
• Чарли Вуд, журнал Quanta (2022). «Наконец-то понятна высокотемпературная сверхпроводимость» .

Внешние ссылки

• Видео о сверхпроводниках I типа: R=0/температура перехода/ B – переменная состояния/ Эффект Мейсснера/ Энергетическая щель (Гиавер)/ Модель БКШ
• Лекции по сверхпроводимости (серия видеороликов, включая интервью с ведущими экспертами)
• YouTube Видео Левитирующий магнит
• Пакет преподавания и обучения DoITPoMS - «Сверхпроводимость»