Высокотемпературная сверхпроводимость
Московский институт электронной техники
(технический университет)
Курсовая работа
по дисциплине:
«Квантовая теория и статистическая физика»
Тема:
Высокотемпературная сверхпроводимость
Выполнил:
Преподаватель:
Москва
2008
СОДЕРЖАНИЕ
Введение......................
1. Открытие сверхпроводимости.
Прогресс и прогнозы применения сверхпроводимости.............
1.1 Открытие сверхпроводимости.............
1.2 Прогресс и прогнозы
применения сверхпроводимости..
2. Физические основы сверхпроводимости.............
2.1 Критическое
поле..........................
2.2 Разрушение сверхпроводимости током. Промежуточное состояние...................13
2.3 Изотопический
эффект. Электрон-фононное взаимодействие.
Куперовские пары.........................
2.4 Длина проникновения
и длина когерентности.........
2.5 Магнитные свойства сверхпроводников
I рода..........................
2.6 Джозефсоновские эффекты.......
3. Высокотемпературные
сверхпроводники...............
3.1 Общие замечания
о сверхпроводниках II рода..........................
3.2 Длина когерентности
и анизотропия
3.3 Вихревая структура
ВТСП и пиннинг магнитного потока........................
3.4 Взаимодействие
флюксоидов с центрами пиннинга......................
3.5 Слабые связи
Джозефсоновского типа.........
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............
Введение
Открытие в 1986
г. высокотемпературных
Исследование микроструктуры и свойств ВТСП, а также области их применения является целью данной работы.
Сведения об открытии, о прогрессе и прогнозе применения сверхпроводимости приведены в первой части работы. Во второй части раскрывается общая теория сверхпроводимости и связанных с ней физических явлениях, необходимые для понимания процессов, проходящих в ВТСП. Особое внимание уделено Джозефсоновским эффектам, имеющим серьёзное прикладное значение. О связях Джозефсоновского типа речь пойдёт так же и в третьей части. Тема ВТСП обсуждается в третьей части, в которой речь идёт в основном о свойствах и явлениях, знание которых является основой для дальнейшего углублённого изучения вопросов, связанных с ВТСП, а также для исследования вопросов получения новых материалов.
1. Открытие сверхпроводимости прогресс и прогнозы применения сверхпроводимости
1.1 Открытие сверхпроводимости
Открытие сверхпроводимости - феномена, при котором течение электрического тока в материале происходит без заметной диссипации энергии, явилось одним из величайших научных достижении XX в. Данное явление сопровождается скачкообразным падением электрического сопротивления до нуля при охлаждении ниже критической температуры (Тс), называемой температурой сверхпроводящего перехода, которая определяется для каждого конкретного материала.
В 1911 г. Хейке Каммерлинг-Оннес, исследовавший свойства ряда металлов вблизи
температуры жидкого гелия (4,2 К), обнаружил, что ртуть, охлажденная до температуры ~4,25 К, теряет электрическое сопротивление, т.е. становится сверхпроводником. В дальнейшем были обнаружены сверхпроводящие свойства также у ряда других металлов, некоторых сплавов и интерметаллических соединений (рис. 1.1), которые, однако, демонстрировали очень низкую критическую температуру (максимальная величина Тс= 23,2 К у Nb3Ge), ненамного превышавшую температуру жидкого гелия. Это в огромной степени тормозило практическое применение сверхпроводников вследствие высокой цены жидкого гелия (~$25 за литр) и трудности его получения. Долгое отсутствие заметных успехов в повышении критической температуры (последний рекорд для соединения Nb3Ge был достигнут в 1973 г.) порождало весьма сдержанные настроения у ученых, работавших в данной области в середине 1980-х гг. Так, экспериментаторы дискутировали вопрос о перспективах повышения Тс для Nb3Sn до величины 30 К с применением весьма экзотической технологи, а теоретики предсказывали потолок повышения критической температуры для настоящих материалов до 40 К.
Все изменилось
в 1986 г. с открытием так называемой
высокотемпературной
Рис. 1.1
История открытия сверхпроводников и увеличения температуры сверхпроводящего перехода[1, c. 12]
Периодически
появляющиеся сообщения о достижении
сверхпроводимости при
- с экспериментальными
ошибками неопытных
-с открытием «новых» сверхпроводников, в действительности являющихся уже известными сверхпроводящими химическими соединениями, содержащими некоторые дополнительные компоненты.
Отметим, что последнюю проблему очень трудно преодолеть даже опытным исследователям.
Главная причина,
которая заметно снизила
В других (не купратных)
сверхпроводящих системах также
были сделаны замечательные
1.2 Прогресс и прогнозы применения сверхпроводимости
В начале 1990-х гг. начался отсчет эры инженерных приложений ВТСП, отмеченной значительными техническими достижениями, которая утвердила использование высокотемпературных сверхпроводников в конкретных изделиях и устройствах.
Области уже существующего и потенциального использования сверхпроводимости (как НТСП, так и ВТСП):
I. Электроника. В этой области к достижению коммерческого успеха наиболее близки тонкопленочные и основанные на СКВИДах (сверхпроводящих устройствах квантовой интерференции) системы, а также клеточные механизмы и средства спутниковой связи. Последующее развитие применений сверхпроводимости в области электронных и информационных систем обещает очень плодотворное соперничество между полупроводниковой и сверхпроводящей технологиями, включающее интенсивное совершенствование систем охлаждения и упаковки электрических цепей и устройств с одновременным понижением их стоимости. При этом можно предположить, что существующие сравнительные преимущества полупроводников будут все более и более уменьшаться с решением проблем, присущих ВТСП.
II. Транспорт.
В настоящее время уже
1. Системы электромеханического запуска.
В конструкции новейшего прямоточного двигателя воздушно-космического самолета необходимый приток воздуха достигается только при сверхзвуковых скоростях аппарата, что требует начального ускорения самолета. Для этой цели можно использовать взлетную сверхпроводящую платформу, не покидающую пределы аэродрома, но разгоняющую самолет до звуковой скорости. Электромагнитные системы запуска с Земли на орбиту, использующие ВТСП-магнит или линейный синхронный двигатель, представляют собой высокоскоростные электромагнитные пушки для запуска в космос тяжелых полезных грузов. Аналогичные пусковые системы применяются для замены первой ступени многоступенчатых ракет.
2. Левитирующие системы.
Пассивные сверхпроводящие
магнитные подвесы для
3. Электродвигатели, работающие на принципах гистерезиса и «вмороженного» магнитного потока.
Разрабатываемые гистерезисные моторы, содержащие цилиндрические или дисковые ВТСП-роторы, основаны на использовании двух типов объемных сверхпроводящих керамик: 1) монокристаллических (YBCO) или объемных (BSCCO) элементов и 2) текстурированных из расплава YBCO-образцов. Конструктивными элементами двигателей синхронно-асинхронного типа являются объемные ВТСП-образцы, а ас-синхронные и dc-униполярные электрические машины используют ВТСП-провода (из BSCCO).
Основные направления применения сверхпроводимости в различных транспортных системах включают следующие:
1. Высокоскоростные
поезда и другие виды
Сверхпроводящие (СП) электромагнитные системы (использующие для разгона платформы линейные электродвигатели) применяются для разработки скоростного наземного транспорта на основе СП-обмоток, заложенных в трассу, и СП-магнитов, размещенных в тележке вагона. При этом для экономии, накопления и эффективного использования энергии применяются СП-накопители электроэнергии, питающие ВТСП-подшипники. Левитирующие системы (Maglev - Magnetic Levitation), основанные на магнитных силах, «подвешивающих» один объект над другим, уже разработаны в Японии, США, Германии, Франции, Швейцарии, Китае и Канаде.
2. Электромобили и автомобили.
ВТСП-электродвигатели для электромобилей и автомобилей работают на принципах гистерезиса и «вмороженного» магнитного потока. В конструкции используются сверхпроводящие провода, объемные элементы и толстые пленки. Назовем следующие электрические устройства и машины, использующие сверхпроводимость и разрабатываемые в настоящее время:
- ас-синхронные и dc-униполярные электродвигатели, использующие ВТСП- провода (из BSCCO) и действующие при температуре жидкого водорода;
- гистерезисные моторы, имеющие цилиндрические и дисковые YBCO-роторы, разрабатываемые на основе монокристаллической YBCO- или BSCCO-керамики, а также текстурированных из расплава YBCO-образцов;
- двигатели синхронно-
- моторы с ротором из слоистых композитов - объемных образцов (толстых пленок) YBCO с промежуточными ферромагнитными вкладышами (стальными пластинами);
- левитирующие
ВТСП-системы, реализованные в
электромеханических
3. Быстроходные суда и военно-морской флот.
Линейные синхронные электродвигатели находят применение в стартерах авианосцев. Сверхпроводящие магнитогидродинамические системы используются в военно-морском флоте с целью уменьшения детектирования шума двигателя в торпедах и при разработке высокоэффективных двигателей для быстроходных судов. Проводятся исследования по использованию сверхпроводимости в корабельном импульсном источнике энергии, например, для авианосца.
III. Медицина. Главной задачей является использование уникально полезного, экологически безопасного и энергосберегающего потенциала сверхпроводящих материалов и магнитов. Это, в частности, относится к использованию метода магниторезонансных изображений (МРИ), быстро зарекомендовавшего себя в качестве нового и незаменимого инструмента медицинской диагностики. Перспективы метода обусловлены прогрессом, как в технике электронного изображения, так и в технологии криогенного охлаждения. Основное применение МРИ включает визуализацию концентраций молекул водорода или жидкости в различных человеческих орга- нах. Использование еще более высокополевых сверхпроводящих магнитов (так называемое функциональное МРИ) позволяет досконально точно установить распределение химических элементов, существующих в человеческом теле в намного более низких концентрациях, нежели водород. Другим перспективным направлением является использование СКВИДов - наиболее чувствительных детекторов потоков и магнитных полей - для измерения колебаний мозговой жизнедеятельности и функций мозга. Аналогичные преимущества связаны с использованием СКВИДов в кардиологии. Другие их применения охватывают неразрушающий контроль, геологические измерения и биологические исследования.
IV. Механические системы. Применение сверхпроводящих двигателей показывает их высокую эффективность, по крайней мере, на 20% большую по сравнению с существующими аналогами. Полное энергосбережение при использовании этой технологии может быть огромным. В частности, уже были продемонстрированы двигатели мощностью 5000 лс. Другими областями являются использование сверхпроводящих двигателей для промышленного выращивания кристаллов кремния, производство линейных двигателей и магнитных подшипников.
V. Научные исследования. Применение сверхпроводящих магнитов явилось одним из самых значительных событий для физики высоких энергий. Отметим, в частности, самый мощный в мире ускоритель высокоэнергетичных заряженных частиц (LHC - большой адронный коллайдер), который создан в Европе в 2005 г. консорциумом ЦЕРН. Данный проект предполагает поставку 1200 тонн сверхпроводящих кабелей и проводов NbTi, которые будут изготовлены рядом европейских, японских и американских компаний.
VI. Электрическая энергия. Потенциально огромное влияние сверхпроводимость может оказать и уже оказывает на энергетику, в частности на производство, сохранение, преобразование и передачу электрической энергии, а также улучшение и обеспечение ее качества. Даже при высоком качестве электросиловых линий и электрических двигателей, генераторов и трансформаторов потери энергии при использовании обычных медных и алюминиевых проводников - огромны. С учетом определяющего влияния, которое энергетика оказывает на все сектора экономики, еще более грандиозными перспективами определяется использование сверхпроводимости в данной области. НТСП-обмотки для электросилового генераторного оборудования, уменьшающие потери энергии, уже успешно внедрены в ряде стран мира. Хотя некоторые очень важные инженерные проблемы при этом были успешно решены, экономическая целесообразность, определяющаяся использованием жидкого гелия и существованием высоких магнитных полей, представляется невысокой. В этом случае применение ВТСП, способных не терять своих свойств при температурах жидкого азота, обеспечивает, в перспективе, их значительное преимущество. Например, ранние возможности позволяли проектирование униполярных машин с обмотками, работающими только c dc-магнитными полями. ВТСП позволяют включить ас-синхронные подходы, также устанавливающие de-поля вокруг сверхпроводящих обмоток. Кроме уменьшения потерь вследствие использования сверхпроводящих обмоток вместо медных, уменьшение размеров и веса также значительно понижает стоимость изделия. Наконец, большая жизнеспособность и потенциально больший срок службы обеспечиваются условиями работы при постоянных и гораздо меньших температурах окружающей среды.
Проблемы термоядерной энергетики
непосредственно связаны с
Очень притягательной особенностью сверхпроводящих магнитов является их использование в качестве «электромагнитных батарей». Они способны сохранять огромное количество энергии достаточно длительное время. По сравнению с электрохимическими батареями, SMES-системы являются более эффективными, экологически чистыми и менее затратными при длительном использовании, хотя и более дорогими в настоящее время .
Успешная демонстрация
возможностей сверхпроводящих
Сверхпроводящие кабели представляют значительный интерес для электрической индустрии, благодаря: а) своему использованию в токопроводящих линиях, обеспечивая уменьшение энергетических потерь, и б) возможности замены существующих подземных кабелей намного более мощными, что также приводит к их количественному сокращению.
Другим уникальным применением сверхпроводимости является развитие однофазных и многофазных электрических систем, имеющих значительный коммерческий потенциал для реализации в ближайшем будущем. В частности, ограничители тока используют способность сверхпроводников действовать подобно «переключателю» электрического сопротивления, демонстрируя нулевое сопротивление в сверхпроводящей области и возвращаясь к более высокому сопротивлению при превышении критического значения температуры, тока или магнитного поля. Другими примерами использования сверхпроводимости являются: устройства накопления и сохранения энергии, основанные на явлении левитации, высокополевые лабораторные магниты для исследований, сверхпроводящие магниты для специализированных процессов изготовления химических и фармацевтических препаратов, разделения материалов, контроля качества пищевых продуктов, неразрушающего контроля и т. д.
2. Физические основы сверхпроводимости
2.1 Критическое поле
Не только температурные флуктуации могут нарушить эффект сверхпроводимости, но и определенное магнитное поле способно восстановить проводимость и вернуть сверхпроводник в его нормальное состояние, т. е. соответствующее отличному от нуля сопротивлению. Это поле называется критическим полем объемного материала, Нсm, или критическим термодинамическим полем. Температурная зависимость Нcm хорошо описывается эмпирической формулой:
(2.1)
Эта зависимость, показанная на рис. 2.1, представляет собой фазовую диаграмму «Н-Т» сверхпроводящего состояния. Внутри области S любая точка в плоскости «Н-Т» соответствует сверхпроводящему состоянию. Критическое поле может быть соотнесено с критической температурой Тс. Так как критическое поле равно нулю при Тс, то можно говорить о фазовом переходе второго рода. При нулевом поле энтропия является непрерывной при Тс, а удельная теплоемкость терпит разрыв. Когда Н 0, переход имеет место при Т < Тс и становится фазовым переходом первого рода.
Рис. 2.1
Температурная зависимость критического поля, Нсm[1, c. 28]
Состояние нулевого сопротивления может быть разрушено достаточно сильными электрическими токами. Определено существование критического тока, пропускание которого через массивный сверхпроводник приводит к образованию на его поверхности магнитного поля критической величины, разрушающего сверхпроводимость
2.2 Разрушение сверхпроводимости током. Промежуточное состояние
Пусть по толстому сверхпроводящему проводу с круговым сечением радиусом r0 течет ток. Согласно опытным данным, разрушение сверхпроводимости магнитным полем происходит всегда, когда поле достигает критического значения Нс, независимо от того, является это поле внешним либо создано проходящим по сверхпроводнику током (правило Сильсби). Рассмотрим уравнение Максвелла
(2.2)
Проинтегрировав его по площади круга радиусом г < г0 и пользуясь правилом преобразования ротора, получим
(2.3)
Следовательно,
(2.4)
где — поле на расстоянии r от оси цилиндра, J(r) — ток, текущий через круг радиусом r.
В сверхпроводящем состоянии ток течет лишь в тонком поверхностном слое. Следовательно, Н = 0 везде, кроме этого слоя. Максимальное поле достигается на поверхности. Оно равно Нс при токе
(2.5)
При J > Jс сверхпроводимость в поверхностном слое начнет разрушаться. Казалось бы, образуется нормальная трубка и сверхпроводящая сердцевина. Но при этом весь ток потечет внутри сверхпроводящего цилиндра, который имеет меньший радиус. Из (2.4) следует, что при том же токе на границе поле Н будет еще больше. Тем самым процесс разрушения дойдет до конца, весь образец станет нормальным, и ток распределится равномерно по сечению. В этом случае , где j — постоянная плотность тока. Согласно формуле (2.4) поле в окрестности цилиндра станет меньше Нс; таким образом, как сверхпроводящее, так и нормальное состояния неустойчивы.
Поэтому при J > Jс образуется так называемое промежуточное состояние, когда одновременно сосуществуют области нормальной и сверхпроводящей фаз. Подчеркнем, что возникновение промежуточного состояния определяется геометрией образца, так как оно возникает только в неоднородном магнитном поле.
К. Гортер выдвинул динамическую модель промежуточного состояния, в которой нормальная и сверхпроводящие области представляют собой систему коаксиальных слоев (цилиндров) сверхпроводящей и нормальной фаз, движущихся к оси образца со скоростями 10-3 — 10-2 см/с; при этом происходит исчезновение сверхпроводящих областей на оси образца и образование новых вблизи поверхности.
Как показали эксперименты, всегда реализуется гортеровская модель промежуточного состояния. Конечно, реальная структура промежуточного состояния может сильно отличаться от идеализированной гортеровской модели. Сильное влияние на формирование промежуточной структуры может оказать даже небольшое внешнее продольное магнитное поле.
2.3 Изотопический
эффект. Электрон-фононное
Анализ многочисленных экспериментов по изучению свойств сверхпроводников привел к однозначному выводу, что сверхпроводимость является коллективным эффектом. То, что сверхпроводимость является не свойством определенных атомов, видно, в частности, из экспериментальных результатов: серое олово является полупроводником, а белое — металлом с температурой перехода в сверхпроводящее состояние Тс = 3,72 К; разные кристаллические модификации лантана имеют разные значения критической температуры Тс = 4,8 К ( -La), Тс = 5,95 К ( -La). Налицо зависимость свойств сверхпроводимости от кристаллической структуры материала. Очень странным казалось, что такие хорошие (по электропроводности) металлы, как Аu, Ag, Сu, не сверхпроводят, в то время как сверхпроводники в нормальной фазе — это плохие металлы. Это еще раз показывает, что для возникновения сверхпроводимости необходимо сильное взаимодействие электронов с решеткой, ибо этим обусловлена плохая электропроводность, т. е. ситуация, когда электроны испытывают со стороны решетки сильное сопротивление своему движению под действием электрического поля.
Существенно прояснило природу сверхпроводимости открытие Максвеллом и Рейнольдсом изотоп-эффекта (изотопический эффект). Это явление заключается в том, что разные изотопы одного и того же сверхпроводящего металла имеют различные критические температуры Тс.
Анализ экспериментальных результатов для различных сверхпроводников приводит к следующему эмпирическому закону:

- Высокотемпературные Сверхпроводники
- Высокоточное оружие
- Высокоточные приборы
- Высокоуровневые методы информатики и програмирования
- Высокоуровневые методы информатики и программирования
- Высокоуровневые методы информатики и программирования
- Высокоуровневые методы программирования
- Высокогорский горно-обогатительный комбинат в Нижнем Тагиле
- Высокое Возрождение в Италии. Творчество Леонардо да Винчи
- Высокомолекулярные соединения
- Высокоомный резистор
- Высокопродуктивные коровы
- Высокопрочный гипс
- Высокотемпературная конверсия метана