Что такое сверхпроводимость

В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре 4.2 К сопротивление ртути скачком падало до 0. Это явление получило название сверхпроводимости. Температура перехода в сверхпроводящее состояние названа критической Т_кр . Сверхпроводящее состояние характеризуется идеальной электропроводимостью и диамагнетизмом.

Носителями заряда являются согласованные друг с другом куперовские пары, дрейфующие в кристалле. Куперовская пара состоит из двух электронов проводимости и положительного иона КР, поляризованного одним из электронов. Суммарный спин пары становится целым. Такие частицы описываются распределением Бозе-Эйнштейна. Для них имеется возможность занимать один и тот же энергетический уровень. При охлаждении происходит Бозе - конденсация куперовских пар на общем уровне, что является основой согласованного поведения.

О О

О О

О О

О О О О О О

Рис. Уровни Рис. Уровень куперовских пар (бозонов).

электронов (фермионов).

Е

Е_св m

K

Рис. Зонная диаграмма сверхпроводника.

В зоне проводимости сверхпроводника имеется энергетическая щель, в которой располагается уровень Ферми. В нижней части зоны расположены уровни электронов куперовских пар. Выше щели - уровни электронов, энергия которых слишком велика для образования куперовских пар. Величина щели - это энергия связи электронов в куперовскую пару:

Е_св = 3.5 k T_кр, T_кр = Q_D exp(-1/g),

где k– постоянная Больцмана, Т_кр - критическая температура (перехода в сверхпроводящее состояние), Q_D - дебаевская температура, g - параметр, характеризующий свойства материала.

Энергия связи Е_св куперовской пары нивелируется тепловой энергией, поэтому пара может существовать только при крайне низких температурах. Разрушение пары происходит резко (скачком через щель). Происходит фазовый переход от сверхпроводящей фазы к обычному состоянию.

Помимо повышения температуры эффект сверхпроводимости снимается электрическим полем (повышающим плотность тока выше критической за счет джоулева тепла), магнитным полем, электромагнитным СВЧ полем.

Куперовская пара имеет размер порядка 10^{-6 м, тогда как расстояние между электронами составляет} 10^{-9 м. Т.о. куперовские пары перекрывают друг друга в пространстве. Нельзя говорить о независимом движении каждой пары. Они действуют как единое целое,} коллектив.

Электрон, движущийся в КР, притягивает положительные ионы КР, несколько сближая их. Создается избыточный положительный заряд поляризованной решетки, к которому и притягивается другой электрон. Происходит косвенное притяжение электронов через поле КР (фононы). Имеет место электрон-фононное взаимодействие, которое при нормальной температуре обусловливает небольшую проводимость.

Рис. Структура куперовской пары.

У металлов с высокой проводимостью ( Ag, Cu ) эффекта сверхпроводимости не наблюдается. Сверхпроводящие металлы: Al, Pb, Nb, Ta, Sn, - сплавы: Cu-Au, неметаллы: сульфид меди, карбамид молибдена.

Провода второго поколения базируются на высокотемпературном сверхпроводнике (ВТСП) YBCO-123. ВТСП наносится в виде 1-3 мкм покрытия на гибкую, как правило, никелевую, подложку толщиной 50 мкм (через 0,5 мкм буферный подслой). Сверху ВТСП материал покрывается защитным слоем серебра и меди. Количество слоев ВТСП может доходить до шести, что приводит к повышению критического тока. После более чем 10 лет попыток, в 2003 г. была продемонстрирована возможность получения лент длиной 10–50 м с высокими критическими характеристиками. Сейчас критический ток длинномерных проводников (150 м) на основе BSCCO-2223 достигает значения 170 А, а средняя величина составляет около 150 А при 77 К в собственном поле для ленты 0,21х4,2 мм. Максимум тока соответствует инженерной плотности 180 А/мм².

Рис. Многослойная лента токопровода.

Характеристики 2G ВТСП проводов (на основе иттриевой системы YBaCuO) в сравнении с 1G ВТСП проводами (BiSrCaCuO) более, чем в 10 раз выше, чем в проводах Bi-системы, и остается на этом уровне в значительно большем интервале магнитных полей.

Технологические этапы получения 2G ВТСП проводов

Рис. Эквивалентные по мощности подземные кабели из меди и сверхпроводников.

Рис. Структура комбинированного кабеля с медной основой, сверхпроводящими слоями, охлаждающими системами.

А Б

Рис. Сечения сверхпроводниковых проводов: сверхпроводник снаружи (А) и внутри (Б).

В центре кабеля находится несколько медных проводов в нейлоновой или пластмассовой изоляции. Внешние кольца кабеля выполнены из лент сверхпроводящего материала, свернутых в виде спирали. Внешний диаметр кабеля составляет 7,5 мм, он может проводить ток силой 2800 Ампер (стандартные линии электропередач рассчитаны на силу тока ниже 1000 Ампер). Высокотемпературные сверхпроводящие (ВСТП) материалы обеспечивают прохождение электрического тока без сопротивления при температуре около 77 К ( —196°C). Охлаждение осуществляется за счет жидкого азота или гелия.

Применение технологии наиболее эффективно при использовании на небольших расстояниях. Например, передача электроэнергии от солнечных и ветровых электростанций. Подземной сверхпроводящей кабельной системе достаточно полосы отвода в 25 футов (7, 62 метра).Для традиционной системы передачи 765 киловольт потребовалось бы полоса отвода 600 футов (182, 88 метров) и огромные башни.

Эффект Мейснера.

Идеальным диамагнетиком является сверхпроводник – в нем внутреннее магнитное поле равно нулю. Это явление известно как эффект Мейснера.

Н_о

I_вихр

I_инд

Н_вихр

Рис. Сверхпроводник в магнитном поле.

При внешнем магнитном поле Н_о в сверхпроводнике из-за крайне малого сопротивления возникнет сильный вихревой ток I_вихр . Он является причиной возникновения вихревого магнитного поля Н_вихр, направленного против внешнего поля Н_о. В свою очередь, поле Н_вихр создает индуцированный ток I_инд, направленный против вихревого тока I_вихр . В результате магнитные поля Н_ои Н_вихр, а также токи I_вихр и I_инд будут взаимно скомпенсированы (амплитуды токов практически равны из-за отсутствия сопротивления). Магнитное поле Нбудет сосредоточено в тонком приповерхностном (скин) слое толщиной d, где протекает поверхностный ток

I_пов = H_o / d.

(Глубина, на которой плотность тока уменьшается в е раз, называется скин-слоем.

Толщина скин-слоя d: __________

d = Ö ( 2 ( w m s ) ,

где w- круговая частота, m - относительная магнитная проницаемость.)

Магнитное поле убывает экспоненциально вглубь проводника:

Н (x) = Н_o еxp(-х/d) .

По мере увеличения напряженности Н_о растет поверхностный ток I_пов, который увеличивает энергию электронов куперовской пары. Если эта энергия станет больше энергии связи куперовской пары, то она разрушится. Сверхпроводящее состояние исчезнет.

Поскольку Н_о = Н_вихр , В_о = В_i , внутри сверхпроводника индукция В = 0 и проницаемость m = 0 . Именно поэтому сверхпроводник и называют идеальным диамагнетиком.

Эффекты левитации.

Левитация – это эффект парения в свободном пространстве. Для левитации сверхпроводников используется эффект Мейснера. Охлаждение ниже критической для сверхпроводников температуры создает условия фазового перехода из пара- или ферромагнитного состояния - в диамагнитное. В результате появляется сила отталкивания между диамагнитным объектом и постоянным магнитом.

Рис. Левитация сверхпроводника (эффект Мейснера).

Эффекты Джозефсона.

Куперовские пары характеризуются одним и тем же импульсом р , что предопределяет одну и ту же длину волны l ( l = h / p ) и одну и ту же фазу j их волновой функции.

Рис. Сверхпроводник

с источником V

напряжения.

A

При замыкании цепи в сверхпроводнике течет ток, фиксируемый амперметром А, а падения напряжения нет (V = 0 ).

Рис. Сверхпроводник V

со щелью

A

В сверхпроводнике с поперечной щелью шириной порядка 1 нм по-прежнему протекает постоянный ток, и разность потенциалов равна 0. Это стационарный эффект Джозефсона.

Рис. Излучающий V

сверхпроводник.

A

Нестационарный эффект Джозефсона проявляется в излучении высокочастотной электромагнитной энергии сверхпроводником с поперечной щелью. В цепи течет не только постоянный, но переменный ток.

Эффекты Джозефсона обусловлены туннелированием куперовских электронных пар через узкую щель. Направление и сила туннельного тока:

I = I_о sin j,

где j - разность фаз волновых функций, описывающих куперовские пары по обе стороны барьера, I_o - максимальный ток через барьер, пропорциональный площади туннельного перехода и прозрачности барьера.

При больших токах (но не уничтожающих эффект сверхпроводимости) возможно туннелирование части неспаренных электронов. Это вызовет разность потенциалов V между двумя частями сверхпроводника. Энергия куперовских пар по обе стороны от барьера будет отличаться на величину D E = 2qV ( 2q - заряд куперовской пары), следовательно, будет существовать и разность частот волн де Бройля:

Dn = D E / h = 2 q V / h.

С течением времени разность фаз будет непрерывно увеличиваться:

j = w t = 2 p Dn t = 2 p t (2 q V / h).

Сверхпроводящая составляющая тока:

I = I_о sin (t 4 p q V /h),

будет переменной с частотой колебаний

w = 4 p q V/ h.

Например, при V = 1 мВ частота колебаний составляет 485 ГГц (l » 0.6 мм).

Рис. Джозефсоновские контакты:

а — на подложку 1 напыляется полоска сверхпроводника 2, затем прослойка диэлектрика 3 сверху полоска сверхпроводника 4,

б — в разрезе показан точечный контакт одного сверхпроводника с другим,

в — канавка в пленке сверхпроводника.

Логические элементы, переключатели используют возможность снимать эффект сверхпроводимости током или магнитным полем, т.е. имеется 2 состояния. Наблюдается фазовый переход: сверхпроводящее состояние - обычная проводимость. Обеспечивается быстродействие:

t = L / R,

где L - индуктивность управляющего элемента, R - сопротивление управляющего элемента.

Sn управляемая пленка (3.7K)

Pb управляющая пленка (7.2)

SiO₂ изолятор

Рис. Пленочный криотрон.

Управляемая пленка Sn переводится из сверхпроводящего состояния в нормальное пропусканием тока через управляющую пленку Pb. Для уменьшения потерь энергии управляющая пленка должна оставаться в сверхпроводящем состоянии. Эффект достигается за счет разности Т_кр материалов. Пленочный криотрон позволяет получить меньшую индуктивность L, чем проволочный.

Туннельный джозефсоновский криотрон может обеспечить еще большее быстродействие, т.к. основан не на разрушении сверхпроводящего состояния, а на переходе от стационарного эффекта c R=0 к нестационарному с R>0.

Джозефсоновский криотрон был использован в создании стробоскопического осциллографа для измерения характеристик процессов с быстродействием от 5 мкс.

Самое большое ограничение использованию сверхпроводимости накладывает очень низкая критическая температура Т_кр. Ее достижение требует сложной и громоздкой криогенной техники. Адекватным пространством использования устройств со сверхпроводимостью является космос с его условиями вакуума и холода.

Эффект Джозефсона позволяет:

- принимать магнитные и электромагнитные сигналы малой мощности, т.к. куперовские пары обладают очень малой энергией,

- реализовать сверхвысокодобротные элементы благодаря малым потерям,

- создавать приемники с малым уровнем шумов,

- реализовать компактные устройства в радио-, СВЧ-, ИК- диапазонах.

Мощность излученного сигнала при нестационарном эффекте Джозефсона очень мала, но его можно использовать для обнаружения и приема очень маломощных сигналов в диапазоне частот от СВЧ до ИК. При поступление на джозефсоновский переход сигнала происходит возрастание постоянного тока (стационарный эффект) или появление переменной составляющей тока (нестационарный эффект). Чувствительность (отношение сигнал / шум) джозефсоновских приемников существенно больше по сравнению с приемниками на нелинейных элементах благодаря практически полному отсутствию шумов сверхпроводника.

Рис. Длинноволновый массив камеры SCUBA, состоящий из 37 болометрических приемников, на которые проецируется область неба диаметром 2.3 угловых минуты. Три дополнительных конических раструба по краям - однопискельные фотометры для более длинноволновых окон прозрачности неба (1.1, 1.35 и 2 мкм).

Фокальная плоскость радиотелескопа BICEP2, состоящего из 512 сверхпроводящих СВЧ-детекторов, разработанных и изготовленных в Лаборатории реактивного движения NASA. (Фото NASA /JPL-Caltech с сайта www.jp l.nasa.gov)

Рис. Фокальная плоскость радиотелескопа BICEP2. (Фото Steffen Richter (Harvard University) с сайта www.cfa.harvard.edu)

Сверхпроводящие квантовые цепи;

Квантовые метаматериалы;

Квантовые микроволны;

Гибридные квантовые системы;

Тесное сотрудничество с ИФТТ РАН (проф. Рязанов) по джозефсоновским π-контактам, основанным на технологии сверпроводник-ферромагнетик;

Сверхпроводящие кубиты и микроволновые резонаторы;

Масштабируемые архитектуры цепей для квантовых вычислений.

Рис. Антенна радиотелескопа с малошумящим усилителем. (Калифорнийского технологического института (Caltech) и Лаборатории НАСА по изучению реактивного движения (NASA Jet Propulsion Laboratory, JPL).

Малошумящий усилитель на сверхпроводящих материалах: нитрид титана и нитрид титана-ниобия - в радиоприемном тракте современного радиотелескопа, позволит ученым-астрономам и астрофизикам принимать самые слабые радиосигналы от крайне далеких космических объектов, при этом, сигналы не будут содержать никаких тепловых шумов, искажающих ценные научные данные. Новый усилитель на основе сверхпроводников позволит получать необычайно чистые сигналы из глубин космоса.

Можно добиться того, что высокий коэффициент усиления и низкий уровень собственных шумов будет сохраняться в диапазоне от 1 гигагерца до 1 терагерца.

СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор). При включении в контур двух джозефсоновских контактов полный ток будет определяться интерференцией токов двух ветвей:

I = I₁ sin j₁ + I₂ sin j₂.

Информация об исследуемом объекте, воздействующем на один из контактов, получается относительно эталона второго контакта.

С помощью СКВИДа можно измерять падение напряжения до 10^-18В, токи 10^-18А (несколько электронов в секунду) и магнитные поля порядка 10^-14Тл. Аналогов подобной чувствительности нет. Новые сверхпроводники позволяют регулировать частоты до 10¹²Гц (близко к квантовому пределу).

СКВИДы используются физиками для поиска кварков, магнитных монополей, гравитонов, геологами - для поисков нефти, воды, минералов. Разрабатываются детекторы для обнаружения подводных лодок.

Рис.Структура СКВИДа.