Высокотемпературная проводимость. комнатная сверхпроводимость

МИНОБРНАУКИ РОССИИ  Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «ФГБОУ ВО «ХГУ им. Н.Ф. Катанова» Институт естественных наук и математики Кафедра математики, физики и информационных технологий

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ. КОМНАТНАЯ СВЕРХПРОВИДОМСТЬ

Выполнил:

Кайбаров Алексей Владимирович

Группа МФ-41 Курс 4

Абакан, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Классификация сверхпроводящих материалов

Сверхпроводимость

Основные признаки сверхпроводников

Эффект Джозефсона

Открытие ВТСП

Структура ВТСП

Применение ВТСП-материалов

• В 1911 году, в Голландии, в лаборатории низких температур Х. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Он замораживал в жидком гелии ртуть и пропускал через нее электрический ток. По мере снижения температуры, сопротивление ртути убывало. Как только температура опустилась до 4,12 К, ее сопротивление резко упало до нуля, оно совсем исчезло.

• Вот слова самого Камерлинг-Оннеса: «Таким образом, при 4,12 градусов выше абсолютного нуля, ртуть переходит в новое состояние, которое можно назвать «сверхпроводящим»» .

• Классификация сверхпроводящих материалов:

1 . Органические сверхпроводники , открыты в 1979 г., имеют максимальную критическую температуру T c = 11,5 К.  2 . Соединения типа A-15 , представляющие собой классические низкотемпературные сверхпроводники с T c =23,2 К, были открыты в 1954 г. 3 . Магнитные сверхпроводники или фазы Чевреля , открыты в 1979 г., объединяют ферромагнитные и антиферромагнитные сверхпроводники, с T c = 15 К высоким значением верхнего поля, достигающего B c2  = 60 Тл. 4. Тяжелые фермионы  с максимальной критической температурой T c =18К демонстрируют сосуществование сверхпроводимости с ферромагнитизмом и антиферромагнитизмом.

5. Оксидные сверхпроводники без меди  – предшественники ВТСП, имеют T c =31К, а монокристаллы оксида вольфрама, допированного натрием в 1999 г. продемонстрировали в поверхностном слое высокотемпературную сверхпроводимость с критической температурой 91 К . 6. Оксипниктиды  – редкоземельные оксидные структуры без меди, открытые в 2008 году, быстро достигли сверхпроводящей температуры – второй после высокотемпературных сверхпроводников (T c =55К); они также как и ВТСП имеют слоистую кристаллическую структуру и соответствующие проводящие плоскости FeAs. 7. Оксиды пирохлоров , представляющие группу минералов, содержащих титан, тантал и ниобий, с невысокой температурой перехода (T c =9,6К). 8. Рутенокупраты  – ближайшие структурные родственники ВТСП, в которых сверхпроводимость сосуществует с ферромагнетизмом, T c = 50 К.

9. Высокотемпературные сверхпроводники – сверхпроводящие купраты, открыты в 1986 г., в которых сверхпроводимость осуществляется по плоскостям CuO2, имеют на сегодняшний день рекордную температуру сверхпроводящего перехода (Tc= 166 ± 1,5 K). 10. В редкоземельных борокарбидах   достигнута T c =23 К. 11. Кремниевые сверхпроводники   при высоком избыточном давлении (один из основных факторов повышения сверхпроводимости в сверхпроводящих материалах) показывают T c =14 К. 12. Халькогениды  – структуры на основе серы и селена демонстрируют невысокую критическую температуру T c =4,15 К. 13. Углеродные сверхпроводники  – фуллеренные структуры, критическая температура в них составляет T c = 40 К. 14. MgB 2  и родственные структуры  (T c =39К). Открытие сверхпроводимости в этих известных с начала 1950-х годов, дешевых и широкодоступных материалах (магнезия продается в любой аптеке), демонстрирующих довольно высокую критическую температуру, было достаточно удивительно, поскольку открытие состоялось только в 2001 г.

• Сверхпроводимость – это явление, при котором течение электрического тока в материале происходит без заметной диссипации энергии.

Сопровождается внезапным падением до нуля электрического сопротивления при охлаждении материала сверхпроводника ниже т. н. температуры сверхпроводящего перехода (T c ), определяемой для каждого конкретного материала.

Другим ключевым параметром является критический ток (I c ) или его плотность (J c ). Его значение представляет собой величину постоянного незатухающего электрического тока в сверхпроводнике, выше которого образец возвращается в нормальное (несверхпроводящее состояние). Третьим критическим параметром является напряженность приложенного магнитного поля (H c ) или магнитная индукция (B c ), при превышении которой восстанавливается электрическое сопротивление сверхпроводника, и он снова становится несверхпроводящим.

Сверхпроводимость низкотемпературная высокотемпературная (до 30 К) (выше 77 К) комнатная (293 К)

• Основные признаки сверхпроводников: Потеря сопротивления ниже температуры сверхпроводящего перехода (T c ), называемой критической и определяемой для каждого конкретного материала .

Сверхпроводники – идеальные диамагнетики.

Полное вытеснение магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние

«Гроб Магомета» — опыт, демонстрирующий эффект Мейснера в сверхпроводнике .

Сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. Поэтому, если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать .

• Эффект Джозефсона (туннелирование через диэлектрическую прослойку) - протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника.

В 1962 году Брайан Джозефсон предсказал, что два сверхпроводящих слоя, разделенных ничтожно тонкой прослойкой изолятора всего в несколько атомов толщиной, будут вести себя как единая система. Пользуясь принципами квантовой механики, он показал, что куперовские пары будут преодолевать этот барьер (переход Джозефсона) даже при отсутствии приложенного к ним напряжения. Существование электрического тока подобного рода вскоре было подтверждено экспериментально, а сам эффект получил название стационарного эффекта Джозефсона. Если же приложить постоянное напряжение по обе стороны перехода, то куперовские пары электронов начнут перемещаться через барьер сначала в одном направлении, затем в обратном. В результате возникнет переменный ток, частота которого увеличивается по мере роста напряжения. Это нестационарный эффект Джозефсона

• В зависимости от характера проникновения магнитного поля в сверхпроводнике и динамики разрушения сверхпроводимости при увеличении напряженности магнитного поля различают:

Сверхпроводники I рода  вытесняют магнитное поле и способны «бороться» против него, пока его напряженность не достигла критического значения  H c . Выше этого предела вещество переходит в нормальное состояние. Сверхпроводники II рода тоже вытесняют магнитное поле, но только очень слабое. При повышении напряженности магнитного поля сверхпроводник II рода «находит возможность» впустить поле внутрь, одновременно сохраняя сверхпроводимость. Это происходит при напряженности поля, намного меньшей  H c : в сверхпроводнике самопроизвольно зарождаются вихревые токи.

• Вихревое состояние сверхпроводников II рода теоретически предсказал советский физик А. А. Абрикосов в работе, опубликованной в 1957 году.

Рис. -  Схематическое изображение вихря в сверхпроводнике II рода. Вихрь параллелен внешнему магнитному полю. Силовые линии поля снаружи проводника и в центре вихря обозначены прямыми стрелками, а вихревые токи — замкнутыми круговыми стрелками

Токовые вихри можно уподобить длинным соленоидам с толстой обмоткой, только ток в них течет не по проводам, а прямо в толще сверхпроводника, не растекаясь в стороны и не меняя своей силы со временем, — ведь это сверхпроводящий ток. Как и в любой катушке индуктивности из провода, в таком вихре создается магнитное поле, т.е. в толще сверхпроводника формируется нормальный канал, вбирающий в себя струйку потока магнитного поля. Диаметр этого вихревого канала строго задан, он не зависит от внешнего магнитного поля и меняется от сверхпроводника к сверхпроводнику .

В 1957 года три физика-экспериментатора — Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер создали теорию сверхпроводимости, позже названной в их честь «теорией БКШ» 

.

• Открытие ВТСП

• Родоначальники ВТСП. Лауреаты Нобелевской премии Алекс Мюллер и Георг Беднорц.

1986 г. – Беднорц, Мюллер: La2-xCuxCuO4, Tc=35 К 1987 г. – Чу: YBa2Cu3O7 – Tc = 93 К 1988 г. – Маеда: Bi2Sr2CaCu3O7 – Tc = 110 K 1988 г. – Шенг, Херман: Tl2Ba2CaCu3O10 – Tc = 125 K 1993 г. – Антипов, Путилин: HgBa2Ca2Cu3O8+x – Tc = 135 К Шиллинг, Кантони, Отт (Университет Колорадо)

• Структура ВТСП

• Структура ВТСП

Структура ВТСП-провода 2-го поколения:  а  — защитный слой Сu;  б  — керамика Y–Ba–Cu–O; в  — ориентированный слой MgO;  г  — неориентированный слой MgO;  д  — лента из нержавеющей стали

• Применение ВТСП-материалов

- разные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.; - микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей, цифровая электроника, искусственные биологические системы; - макротехника: силовые кабели, провода, электрические системы и сети, трансформаторы, генераторы и двигатели.

• Спасибо за внимание