Основы высокотемпературной сверхпроводимости
Открытие сверхпроводимости ртути. Развитие теорий сверхпроводимости. Поведение сверхпроводящих пленок в магнитном поле. Основные свойства сверхпроводников. Разработка криогенной установки для исследования свойств материалов при низких температурах.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 27.10.2011 |
| Размер файла | 486,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА ФИЗИКИ
КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА ПО ТЕМЕ:
«Основы высокотемпературной сверхпроводимости»
ВЫПОЛНИЛ
Студент 5 курса
Группы Ф-981
Матвеенко Е.А.
РУКОВОДИТЕЛЬ
Федорченко В.П.
г. Петропавловск - Камчатский
2003 г.
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ОТКРЫТИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
РАЗВИТИЕ ТЕОРИЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
РАЗРАБОТКА КРИОГЕННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПРИРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ НА НАЛИЧИЕ ЯВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
Сегодня и их ПРИМЕНЕНИЕ ВТСП
СЕГОДНЯ (1987-?)
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ КВАНТОВЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ СУПЕРКОМПЬЮТЕР
ЗАВТРА
Приложение
ВВЕДЕНИЕ
Сверхпроводимость- физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ, называемых сверхпроводниками, при охлаждении их ниже определенной критической температуры Тс и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и в выталкивании магнитного поля из объема образца (эффект Мейснера).
Легко представить необходимость материалов обладающих нулевым сопротивлением. На сегодняшний день при передаче электрической энергии потери в проводах составляют до 20%, которые расходуются на никому ненужный нагрев провдов. Передача электрических импульсов по проводникам часто ограничивается расстоянием в связи с наличием сопротивления.
Если рассматривать сверхпроводник как идеальный диамагнетик, это свойство позволяет нам надеется на возможность существования « анти - гравитации ». На сегодняшний день широко используется «магнитная левитация» сверхпроводников.
Актуальность проблемы создания теории сверхпроводимости неоспорима. Особенно интересен вопрос о механизм высокотемпературной сверхпроводимости с Тк >77,4 К.. В данной области температур очень мала экспериментальная база.
Целью моей работы является создание установки, которая позволила бы проводить опыты по исследованию природных материалов на наличие высокотемпературной сверхпроводимости.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ :
ОТКРЫТИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
Открытие в 1911 году Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости ртути при Тс= 4,15 К положило начало одному из самых «загадочных» разделов современной физики и серии Нобелевских премий за исследования в этой области. Но непосредственное измерение электрического сопротивления ртути проводил Г.Холст (квалифицированный физик, в дальнейшем - профессор Лейденского университета), который и наблюдал первым падение сопротивления R до нуля.
Так как до 1923 года Лейденская лаборатория "владела монополией" на жидкий гелий, то повторить опыты Камерлинг-Оннеса никто не мог, и он продолжал свои исследования в одиночку. Вслед за ртутью были открыты и другие сверхпроводники: олово (Тс = 3,69 К), свинец (Тс = 7,26 К) и т.д.
В 1914 году выяснилось, что существует критическое для сверхпроводимости магнитное поле Нс (T), величина которого при T = 0 составляет 411 Э для ртути и 803 Э для свинца.
Камерлинг-Оннес был близок к открытию эффекта Мейснера (в 1924 году). Но наблюдать эффект Мейснера в свинцовом шаре Камерлинг-Оннесу не позволило то обстоятельство, что он изучал полый шар, экономя дефицитный жидкий гелий.
Эффект Мейснера был открыт лишь в 1933 году. Было экспериментально обнаружено, что сверхпроводник в слабом магнитном поле будет вести себя как идеальный диамагнетик, в объеме которого магнитная индукция равна нулю. Если поместить образец в магнитное поле и охладить его ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние, то магнитный поток, первоначально пронизывающий образец, окажется вытолкнутым из него.
Теоретическое объяснение данных эксперимента, у ученых вызвало значительные затруднения. И связано это было, прежде всего, с тем, что даже свойства нормального состояния металлов долгое время оставались неясными.
В 1935 году Л.В.Шубниковым были открыты сверхпроводники второго рода, отличавшиеся от известных к тому времени сверхпроводников своим поведением в магнитном поле (как выяснилось позже, подавляющее большинство сверхпроводящих материалов относится именно к классу сверхпроводников второго рода). Причины этого отличия тогда также остались неясны.
Долгое время, вплоть до середины 50 годов, сверхпроводимость была совершенно непонятным явлением. Ее безуспешно пытались объяснить Альберт Эйнштейн и Нильс Бор. Лишь спустя двадцать лет после создания квантовой теории, в 1950 году Гинзбургом и Ландау была создана полумикроскопическая теория перехода в сверхпроводящее состояние. Ее созданию помогло открытие Петром Капицей сверхтекучести гелия, которое подсказало трактовку сверхпроводимости как сверхтекучести электронной жидкости.
"Сегодня" начинается с третьей Нобелевской премии за открытия в области сверхпроводимости. Ее получили Беднорц и Мюллер в 1986 году, которые синтезировали сверхпроводник Ba-Sr-Cu-O, положив тем самым начало целому классу высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с ~ 100 К (наконец-то был преодолен "азотный барьер"). В сверхпроводимости начался настоящий "бум". В среднем публиковалось около 15 статей в день. Однако к концу второго тысячелетия картина высокотемпературной сверхпроводимости остается совершенно неясной.
До сих пор непонятен механизм сверхпроводимости ВТСП. Не исключено, что он является фононным. Обсуждаются также спиновый, экситонный и другие электронные механизмы. Ни одна из предложенных моделей не лишена недостатков и не позволяет объяснить всю совокупность экспериментальных фактов. По-видимому, при описании ВТСП нельзя ограничиваться каким-либо одним типом взаимодействия.
Дело осложняется тем, что даже в нормальном состоянии ВТСП обладают рядом необычных свойств. Некоторые авторы, к числу которых относится известный физик Ф.Андерсон, подвергают сомнению возможность использования ферми-жидкостных представлений для описания ВТСП. Но если фононный механизм в ВТСП окажется все же определяющим, то величина Tc в классе медных оксидов вряд ли превысит 200К.
РАЗВИТИЕ ТЕОРИЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
Ландау первым пролил свет на природу сверхпроводимости. В 1950 г. он и считающий себя его учеником В.Л. Гинзбург опубликовали обобщенную феноменологическую теорию сверхпроводимости (теория Гинзбурга-Ландау), являющуюся по существу следствием идеи об одновременном существовании двух электронных жидкостей.
Ландау первым сопоставил два «странных» явления, сверхпроводимость и сверхтекучесть - течение жидкого гелия II без трения через узкие капилляры, и предположил, что они родственны. Сверхпроводимость - это сверхтекучесть своеобразной жидкости - электронной. Эта идея Ландау оказалась плодотворной, на ее основе в последствии было построено большинство теорий сверхпроводимости.
Теория Гинзбурга-Ландау позволила получить для сверхпроводников ряд важных термодинамических соотношений, объяснить поведение сверхпроводящих пленок в магнитном поле и т.д. В рамках теории Гинзбурга-Ландау находит объяснение и факт существования сверхпроводников первого и второго рода.
Очень важно, что анализ экспериментальных данных на основе теории Гинзбурга-Ландау позволил сделать оценку эффективного заряда e*, который оказался примерно в два раза больше, чем заряд электрона. Но мысль об объединении электронов в пары тогда никому не пришла в голову, хотя уже в 1946 году опубликована статья Огга, в которой выдвигалась идея о спаривании электронов с их последующей бозе-эйнштейновской конденсацией.
В 1950 Г.Фрелих высказал предположение, что электроны могут притягиваться друг к другу за счет взаимодействия с атомами решетки.
Но только в 1956 году американский ученый Л.Купер из университета шт. Иллинойс, показал, что если электроны притягиваются друг к другу, то, сколь бы слабым ни было это притяжение, они должны «конденсироваться» в связанное состояние. Как представлял себе Купер, такое притяжение и приводит к образованию связанных пар (получивших название куперовских), перемещающихся в кристаллической решетке. Такой механизм притяжения называется электрон-фононным взаимодействием; он состоит в следующем. Электрон, движущийся в кристаллической решетке, как бы искажает ее. Это обусловлено взаимодействием между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными атомами решетки. Движущийся через решетку электрон «сближает» ее атомы. Второй электрон затем втягивается в «суженную область» под усиленным действием положительного заряда. Энергия первого электрона, затрачиваемая на «деформацию решетки», передается без потерь второму члену куперовской пары. Такая пара движется по решетке, обмениваясь энергией через атомы решетки, но не теряя при этом своей энергии в целом (рисунок)
Такое взаимодействие в какой-то мере аналогично поведению двух тяжелых шариков на резиновой мембране. Когда один шарик катится, он прогибает мембрану так, что второй шарик следует в его «кильватере». Электроны, будучи одноименно заряжены, в отличие от шариков взаимно отталкиваются. Однако это взаимное отталкивание оказывается сильным только тогда, когда электроны находятся очень близко друг к другу, и быстро уменьшается по мере их удаления. Во взаимодействии с участием решетки, или электрон-фононном взаимодействии, электроны достаточно удалены друг от друга (на расстояние порядка 5*10-7-10-4 см). На таких расстояниях отталкивание электронов мало по сравнению с электрон-фононным взаимодействием, в результате чего электроны эффективно притягиваются друг к другу. (Фонон - это квант колебательной энергии кристаллической решетки.)
Можно предположить, что это связанное состояние и есть искомое сверхпроводящее состояние.
В 1957 году на основании предположения Купера была разработана микроскопическая теория сверхпроводимости БКШ, названная по фамилиям авторов Дж. Бардина, Купера, Шриффера, за которую они были удостоены в 1972 году Нобелевской премии по физике. Согласно этой теории, куперовские пары образуют когерентное состояние, в котором все они имеют один и тот же импульс. Все частицы при этом описываются единой волновой функцией. Характерное расстояние между двумя электронами в куперовской паре, называемое длиной когерентности x, различно для разных сверхпроводников и может принимать значения 10 -7-10 -5 см. Находясь в едином квантовом состоянии; электроны образуют так называемую квантовую, или сверхтекучую, жидкость. Эта когерентность электронов в большом масштабе -является макроскопической демонстрацией квантовых принципов. Она описывает явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне
В микроскопической теории сверхпроводимости важным моментом является объяснение достаточно сильного притяжения между двумя электронами, возникающего при поляризации кристаллической решетки. Два электрона с противоположными спинами и направлениями движения объединяются в пару, называемую куперовской . Эти пары обладают нулевым суммарным спином и поэтому являются бозе-частицами (то есть частицами, подчиняющимися статистике Бозе-Эйнштейна). Такие частицы обладают определенным свойством: если температура ниже Тс , они могут скапливаться на самом нижнем энергетическом уровне (в основном состоянии). Чем больше их там соберется, тем труднее какой-либо частице выйти из этого состояния. На разрыв куперовских пар требуется затратить некоторую энергию. В результате этого энергия сверхпроводящих электронов на некоторое значение меньше энергии нормальных электронов. Эту разницу называют энергетической щелью.
Таким образом, сверхпроводимость можно представить себе так. При Т < Тс электрический ток переносится куперовскими парами, то есть элементарными носителями тока с зарядом 2e (e - заряд электрона). При этом какой-либо частице достаточно сложно рассеяться на примесном атоме или каком-либо другом дефекте кристаллической решетки металла, включая тепловые колебания ионов. Для этого ей нужно преодолеть сопротивление всех остальных подобных частиц.
Теория БКШ частично обьяснила механизм сверхпроводимости. Было выяснено, что в его основе лежит электрон-фононное взаимодействие, которое приводит к образованию куперовских пар, переносящих "сверхток". Теория БКШ естественным образом объяснила изотопический эффект, открытый в 1950 году, и, что очень важно, позволила выразить критическую температуру Тс через фононные и электронные характеристики. В результате этого появилась возможность вести осмысленный поиск новых сверхпроводников с более высокой Тс из числа материалов с большими значениями дебаевской температуры и константы электрон-фононного взаимодействия. Для гипотетического металлического водорода была предсказана огромная Тс= (200 - 300) К. Но теория не всегда точно отражает эксперимент. Максимум, чего удалось добиться за последующие 30 лет со времени публикации БКШ - это повысить Тс до 24 К в Nb3Ge в 1973 году.
В 1964 году Литтл и Гинзбург независимо высказали идею о возможном нефононном механизме сверхпроводимости в низко размерных (квазиодномерных или квазидвумерных) системах. Было показано, что замена фононов на экситоны (возбуждения подсистемы связанных электронов) в принципе позволяет повысить Тк до (50 - 500) К. Однако поиск таких сверхпроводников не увенчался успехом.
СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ
При понижении температуры многие металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Этот переход происходит при вполне определенной для каждого материала температуре Тс , называемой критической. Сверхпроводимость характеризуется идеальной электропроводностью, сопротивление электрическому току равно нулю, если плотность тока меньше некоторой критической величины jc, и идеальным диамагнетизмом, индукция магнитного поля внутри сверхпроводника равна нулю, если ее значение снаружи меньше критического Вс. Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов с Тк 23К, а также у керамик с Тк > 77,4К - высокотемпературные сверхпроводники.
На критическую температуру влияют, механические напряжения в образце. В большинстве случаев, увеличение механических напряжений в образце влечет за собой повышение критической температуры.
Аналогичная зависимость существует между механическим напряжением и критическим магнитным полем. Было показано, что критическое поле образца олова при 2 К, составляющее 0,021 Тл, повысилось до 1,5 Тл, после того как в олове были искусственно созданы механические напряжения.
Уменьшение размеров испытуемого образца примерно до 1 мкм существенно изменяет свойства сверхпроводника. Такой образец уже не будет диамагнитным, а его критическое поле и ток сильно возрастут.
Уменьшая толщину образца, можно увеличить его критическое поле в несколько сот раз. У сверхпроводящей свинцовой пленки толщиной 20 А критическое поле равно 40 Тл. Плотность критического тока в тонких сверхпроводящих пленках также сильно возрастает. В слоях толщиной около 100 А плотность тока достигает 107...108 А/см2.
При увеличении частоты магнитного поля или тока сверхпроводник постепенно начинает приобретать сопротивление. Однако при частоте вплоть до 107 Гц оно еще практически равно нулю.
По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода. Чистые сверхпроводники (за исключением ниобия) относят к сверхпроводникам 1-го рода. Большинство сверхпроводников, а их уже открыто более тысячи, относят к сверхпроводникам 2-го рода. Термин «сверхпроводники 2-го рода» введен в 1952 г. советским ученым А.А. Абрикосовым, развившим теорию сверхпроводимости Гинзбурга - Ландау. Термин оказался необходим для определения сверхпроводников с отрицательной поверхностной энергией, в отличие от сверхпроводников 1-го рода, у которых поверхностная энергия на границе сверхпроводящей и нормальной фаз положительна. Отрицательная поверхностная энергия может иметь место, если так называемый параметр Гинзбурга - Ландау больше 1/v2.
Свойства сверхпроводников 1-го и 2-го рода значительно различаются, при переходе в сверхпроводящее состояние у сверхпроводников 2-го рода происходит очень плавное изменение, в широком диапазоне значений магнитного поля.
Сверхпроводники I рода при помещении их в магнитное поле “выталкивают” последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряженность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Нк. У сверхпроводников II рода существует промежуток напряженности магнитного поля Нк2>Н>Нк1, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии. Нк1 - нижнее критическое поле, Нк2 - верхнее критическое поле. Н < Нк1 - индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2 - сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой : Iк=Нк*?*d (критический ток). Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит Нк1, вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости. ( Таблица: Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений).
Поскольку сверхпроводники 2-рода проницаемы для магнитных полей и обладают при наличии неоднородности состава гистерезисом, питание их переменным током или помещение их в переменное магнитное поле вызывает потери энергии.
Одна из важных особенностей сверхпроводников была предсказана в 1962 году в работе Б. Джозефсона. Он рассматривал частный случай туннельного эффекта - туннелирование куперовских пар - и предсказал существование двух эффектов. Первый из них состоит в том, что через туннельный переход с тонким слоем диэлектрика, когда его толщина меньше или порядка длины когерентности x (d # x), возможно протекание сверхпроводящего тока, то есть тока без сопротивления. Предсказывалось, что критическое значение этого тока будет своеобразно зависеть от внешнего магнитного поля. Если ток через такой переход станет больше критического, то переход будет источником высокочастотного электромагнитного излучения - это нестационарный эффект Джозефсона.
Эффекты Джозефсона присущи не только туннельным переходам, но и более широкому классу объектов - сверхпроводящим слабым связям, то есть участкам сверхпроводящей цепи, в которых критический ток существенно подавлен, а размер участка порядка длины когерентности x.
В основе эффектов Джозефсона лежат квантовые свойства сверхпроводящего состояния, так как это состояние характеризуется когерентностью куперовских пар: эти пары электронов находятся на одном квантовом уровне и описываются общей для всех пар волновой функцией, ее амплитудой и фазой.
Следует заметить, что слабая связь между двумя сверхпроводниками - это просто удобный объект для обнаружения интерференционных эффектов. Однако такие эффекты были известны сравнительно давно. Один из ярких примеров - квантование магнитного потока и тока в сверхпроводящем кольце. Действительно, сверхпроводящий ток может принимать только такие значения, при которых на длине кольца может уложиться целое число длин волн волновой функции сверхпроводящих электронов, то есть при обходе по контуру кольца волновая функция в каждой точке попадает в фазу сама с собой
В отличие от электронов в атомах и других микрочастиц, поведение которых описывается квантовой теорией, сверхпроводимость - макроскопическое квантовое явление. Действительно, длина сверхпроводящей проволоки, по которой течет незатухающий ток, может достигать многих метров и даже километров. При этом носители тока в ней описываются единой волновой функцией. Это не единственное макроскопическое квантовое явление. Другим примером может служить сверхтекучесть в жидком гелии или в веществе нейтронных звезд.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ :
РАЗРАБОТКА КРИОГЕННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПРИРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ НА НАЛИЧИЕ ЯВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ.
Целью моей работы является создание установки, которая позволила бы проводить опыты по исследованию природных материалов на наличие высокотемпературной сверхпроводимости.
Для проведения подобных опытов необходимы следующие элементы:
1) Криостат - для поддержания образца при необходимой температуре (от 300 К и выше) с охлаждающей жидкостью.
2) Датчики (Магнитные, температурные, сопротивления) - для контроля за состоянием образца.
3) Аналого-Цифровой преобразователь - для передачи данных на компьютер.
4) Компьютер с программой обработки экспериментальных данных.
5) Сам исследуемый образец.
Ранее в физических лабораториях университета не проводились опыты, требующие наличия криогенного оборудования, в связи с этим криостаты не приобретались. По этой причине первой задачей стал поиск необходимого оборудования для его покупки.
Результат поиска: в одной из фирм, занимающихся продажей криостатов, был найден криостат с необходимыми характеристиками. На наш запрос о стоимости криостата, ответ пришел спустя два месяца, его стоимость составила приблизительно 5000$, без учета обслуживающего оборудования, еще около 2000$. Приблизительная стоимость исследовательского датчика температур от 250$ до 500$. Прибор для снятия, обработки и передачи данных на компьютер 7000$. Общая стоимость проекта составила приблизительно 15 тысяч долларов. По причине приведенных выше фактов вопрос о закупке оборудования был снят.
Следующей задачей стала подборка материала по конструкции необходимых приборов.
Как оказалось заменить нельзя было только криостат. Нам удалось найти схему криостата (практически все криостаты имели общую конструкцию). См(Схема криостата)
Принцип действия:
Внутри криостата находится гелиевый и азотный резервуары. Азотный резервуар служит для охлаждения теплового экрана. Жидкий криоагент подается через капилляр с нижней части шахты и испаряется на теплообменнике. Температура газообразного гелия/азота регулируется при помощи задания электрического тока в теплообменнике. При температурах 4,2 - 300 К образцы находятся в потоке криогенного газа, который направлен вверх. Поток криогенного газа регулируется дифференциальным регулятором давления, который расположен в маностате. Комбинированная система регулировки потока газа и температуры теплообменника позволяет получать высокую точность поддержания температуры и низкий расход жидкого криоагента. Температуры от 4,2 К до 1,8 К достигаются откачкой криогенного газа. В этом интервале температур образец погружен в жидкий хладагент. Замена образца производится через верхний фланец шахты.
По данной схеме мною был составлен схематический чертеж, размеры которого были подобраны по единственному известному нам параметру криостата, взятого за основу, был объем его внутреннего резервуара (2 - 4 литра). См(Чертеж криостата)
Принцип работы:
1) Проводим вакуумирование объема 9 через вакуумный кран 7.
2) Заливаем азотом охранную область 4 через трубку 3
3) Наполняем внутренний объем криостата 2 азотом через трубку 1
4) Колпак 6 (содержащий образец) накручивается на трубку 5 (содержащую провода соединяющие датчики с внешними устройствами).
5) трубка 5 с колпаком 6 ввинчивается в трубку 1.
6) Шланг от форвакуумного насоса присоединяется к трубке 10. Криостат готов к работе.
7) Путем откачки паров азота из емкости 2 достигается необходимая температура.
Характеристики криостата:
Криостат полностью выполнен из меди (медь является диамагнетиком).
Приблизительный вес криостата 15 кг.
От внешней среды изолируется полимерным материалом (пенопласт).
На данным момент криостат находится в сборке. Срок завершения работ 8 9 апреля.
Необходимый набор элементов в ходе работы был изменен на:
1) Криостат - для поддержания образца при необходимой температуре (от 300 К и выше) .
2) Датчики (Магнитные, температурные, сопротивления) - для контроля за состоянием образца.
3) Аналого-Цифровой преобразователь - для передачи данных на компьютер.
4) Компьютер с программой обработки экспериментальных данных.
5) Сам исследуемый образец.
6) Азот (N2)
7) Форвакуумный насос.
Сегодня и их ПРИМЕНЕНИЕ ВТСП
СЕГОДНЯ (1987-?)
Совсем недавно два американских физика из Хьюстонского университета выступили с сенсационным заявлением. В их статье, которая будет опубликована в Philosophical Magazine B и уже сегодня выложена в Интернете (www.arxiv.org/abs/cond-mat/0111268), утверждается, что многослойные углеродные нанотрубки обладают сверхпроводимостью при температуре 127 градусов по Цельсию. Ученые не наблюдали нулевого электрического сопротивления. Контакт с нанотрубкой диаметром менее 20 нанометров и длиной 0,1-2 микрона пока не удается сделать менее 20-60 Ом. Но они зарегистрировали характерную для сверхпроводников реакцию на магнитное поле. Что это, очередное рекламное заявление, сделанное в надежде найти источники финансирования, или первый шаг к повсеместному использованию сверхпроводимости?
Последние полгода богаты событиями в этой области. Летом в солидном журнале Physica C была опубликована статья хорватских ученых, в которой предложено сложное соединение PbCO3*PbO+Ag2O на основе оксидов свинца, серебра и углерода. В статье приведены результаты экспериментов, которые доказывают, что это соединение является сверхпроводником при температуре выше комнатной. Но научное сообщество до сих пор хранит молчание по этому поводу.
Гораздо больший отклик у коллег нашли менее сенсационные открытия двух новых сверхпроводников -- диборида магния MgB2 и органического политриофена, а также достижение высокой температуры сверхпроводимости на поверхности кристаллов фуллерена -- сложенного из гигантских, похожих на мяч молекул углерода С60. Что же происходит? Эти сверхпроводники пока не бьют никаких рекордов и не являются чем-то экзотичным. Ну разве что, политриофен -- первый пластик среди сверхпроводников
Новый сверхпроводник MgB2.
http://rc.nsu.ru/text/news/Physics/155.html
В январе 2001 года на симпозиуме "Transition Metal Oxides", проходившем в японском городе Сентаи, было сообщено о том, что диборид магния MgB2 переходит в сверхпроводящее состояние при рекордно высокой для такого класса соединений температуре 40 K. Это заявление вызвало настоящий бум: сейчас ежедневно появляется по несколько работ, исследующих свойства диборида магния. Со стороны может показаться, что температура в 40 К вовсе не такая большая (в настоящее время получены керамики вида YBaCuO, сохраняющие сверхпроводящее состояние вплоть до температур порядка 150 К). Так в чем же особенности этого соединения и почему оно вызвало такой интерес?
Причин несколько. Во-первых, это соединение очень простое, как по кристаллографической, так и по электронной структуре (последнее значительно важнее). Это значит, что теоретики имеют шанс рассчитать все точно и попытаться, наконец, выяснить, как же сверхпроводимость в принципе возникает, как научиться ее предсказывать в том или ином материале. Ведь до сегодняшнего дня практически все сверхпроводники находят методом проб и ошибок.
Во-вторых, есть подозрение, что сверхпроводимость диборида магния будет описываться старой доброй теорией Бардина-Купера-Шриффера. Ведь, несмотря на то, что эта теория принесла авторам Нобелевскую премию в 1972 году, она оказалась неспособной описать многие из открытых позднее сверхпроводящих материалов (в том числе и высокотемпературную сверхпроводимость керамик).
В-третьих, из всех двухэлементных соединений у MgB2 самая высокая температура перехода в сверхпроводящее состояние (Tc). Это связано с тех, что атомы бора очень легкие, а в теории БКШ предсказывается, что чем легче атомы, тем дольше сохраняется сверхпроводимость.
Наконец, важно и то, что диборид магния - давно известное и хорошо изученное вещество. Кроме того, получение его, в отличие от керамик, также не представляет трудностей.
Каковы же строение и свойства соединения MgB2? Кристаллическая структура соединения изображена на рисунке.
Атомы бора образуют шестиугольные "соты", очень напоминающие графитовые плоскости. Отличие от графита лишь в том, что в дибориде магния плоскости находятся прямо одна над другой, а в графите - несколько сдвинуты. Кроме того, в нашем соединении есть еще и атомы магния, находящиеся в "сотах". Вычисления показывают, что эти атомы находятся в сильно ионизованном состоянии, близком к Mg++. Будучи положительно заряженными, они как бы "вытягивают" электроны из борных плоскостей в межплоскостное пространство. Это приводит к созданию свободных носителей заряда, что приводит к металлическим свойствам диборида магния и способствует сверхпроводимости.
Одним из первых важных открытий, совершенных сразу же после объявления о сверхпроводимости MgB2, было наблюдение изотопического эффекта. Суть явления заключается в том, что температура перехода в сверхпроводящее состояния зависит от того, какой изотоп бора используется: B10 или B11. Изотопы одного элемента, как известно, имеют идентичное электронное строение, а отличаются лишь массами. Значит, изотопический эффект - это по сути наблюдение зависимости Tc от массы атомов, как раз то, что и предсказывается теорией БКШ.
В настоящее время идут очень интенсивные исследования нового сверхпроводника: изучаются его механические и термодинамические свойства, характер его взаимодействия с магнитным полем, особенности сверхпроводимости при протекании через образец больших токов и т.д. Можно надеяться, что в скором времени будет представлена целостная картина того, как наступает сверхпроводимость в этом соединении, а также как ее можно использовать.
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ КВАНТОВЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Из описания квантовой интерференции сверхпроводящих токов при помещении контура с одной или двумя слабыми связями в магнитное поле видно, что это явление аналогично интерференции света. В оптических интерферометрах световую волну обычно расщепляют на две идущие по разным путям. Для этого используют или две щели в непрозрачной перегородке, или два зеркала, или полупрозрачную пластинку, или другие приспособления. В одну из половинок вносят, например, изучаемый прозрачный объект и по возникшей разности фаз находят его толщину, показатель преломления и другие характеристики. Эта аналогия объясняет смысл термина "сверхпроводниковый квантовый интерферометр" или сокращенно "сквид" (по сокращениям слов в английском написании). В сквиде сверхпроводящий ток также расщепляется на две части, каждая из которых (или только одна) проходит свой туннельный контакт, а затем они сводятся вместе. Разность фаз при этом изменяется с помощью магнитного поля, и поэтому его поток или индукцию можно измерять таким интерферометром.
В работающем сквиде можно предварительно создать небольшой постоянный ток (смещение). Тогда в непосредственной окрестности тех точек, где критический ток равен нулю, сверхпроводимость туннельных контактов (или слабых связей) разрушится и присоединенный к сквиду вольтметр покажет падение напряжения. Тогда уже при изменении потока на сотые или даже тысячные доли кванта F0 вблизи такой точки на сквиде появится достаточно большое напряжение, пропорциональное величине магнитного поля. Таким путем чувствительность к магнитному потоку доводят до (10- 5-10- 6)F0 . Применяя преобразователи различных физических величин в поток магнитного поля, получают очень чувствительные измерители тока, напряжения, температуры и т.д.
На практике наибольшее распространение сквиды получили в медицине, физике и дефектоскопии. Их большие преимущества перед другими приборами для измерения магнитных полей - сверхвысокая чувствительность и возможность бесконтактных измерений. Это позволяет регистрировать очень слабые магнитные поля, связанные со слабыми электрическими токами, возникающими в живых организмах. Удается регистрировать магнитокардиограммы, магнитоэнцефалограммы, магнитограммы работы мышц, желудка, глаза. Однако при этом требуется экранированная комната, так как соответствующее магнитное поле на несколько порядков величины меньше магнитного поля Земли.
В геофизике с помощью сквид-магнитометров можно вести геологическую разведку с самолета или спутника, изучать такие активные процессы в Земле, как извержения вулканов, предсказывать землетрясения.
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ СУПЕРКОМПЬЮТЕР
Тенденции развития современных компьютеров легко наблюдаемы, их материальная база развивается в основном в сторону увеличения быстродействия и степени интеграции (числа элементов памяти, логики и т.д. на единицу площади чипа). В большинстве компьютеров используется двоичная система счисления, в которой имеются всего два числа: нуль и единица. Обычно это означает отсутствие или наличие напряжения на выходе полупроводникового транзистора.
Использование полупроводниковой элементной базы в компьютерах имеет свои технические ограничения: все труднее повышать быстродействие, уменьшать размеры, а также отводить лишнее тепло. При большой плотности размещения транзисторов даже при небольшом тепловыделении каждого из них общее количество тепла становится чрезмерным.
Идея использования джозефсоновских переходов в качестве элементной базы компьютеров появилась уже довольно давно. И если задача получения малых размеров переходов (плотность упаковки) и малого тепловыделения (в сверхпроводящем состоянии тепло вообще не рассеивается) довольно легко решается, то сверхвысокого быстродействия достичь долго не удавалось.
Принципиально новое решение этой проблемы было впервые предложено в группе профессора К.К. Лихарева в МГУ. Для обработки и запоминания информации здесь используется квант магнитного потока, то есть нуль и единица - отсутствие или наличие в джозефсоновской ячейке одного кванта потока. Логические элементы с джозефсоновскими переходами, в которых проводится квантование магнитного потока, называются квантронами. Расчеты и эксперименты показывают, что квантроны обладают очень высоким быстродействием, достигающим значений 1012 операций в секунду. Однако они не подчиняются традиционным правилам схемотехники и их следует применять в схемах нового типа. Здесь информация передается от одного элемента к другому с помощью кванта магнитного потока, поэтому обязательным условием является близкое расположение элементов. Характерные расстояния, разделяющие при этом элементы, достигают величин порядка десятых долей микрона. Такие схемы выгодно применять, например, при создании регистров сдвига - устройств с передачей информации вдоль периодической структуры элементов логики, причем информация смещается на единичный период при введении или изъятии единичного кванта потока.
В будущем может быть создан суперкомпьютер на ВТСП с быстродействием в 1000 раз больше, чем у компьютеров, проектируемых в настоящее время. Время переключения на переходах Джозефсона (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика) составит не более 10-13с для Ткр=10К и 10-14с для материала с Ткр=100К.
Сверхпроводящие магниты. С помощью обычного электромагнита, представляющего собой катушку из медного провода, размещенной на железном сердечнике, можно создавать поля до 2Тл, причем медные провода выдерживают плотность тока до 400А/см2. Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счет увеличения плотности тока до 100000А/см2. Такие плотности тока позволяют получать сплавы из ниобия-3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4К). Объемные образцы иттрий - барий - оксид меди выдерживают плотность тока до 4000А/см2 при температуре жидкого азота (77К) в поле 1Тл. В отсутствие магнитного поля плотность тока может достигать 17000А/см2.
Генераторы и линии электропередач. Сверхпроводящие магниты могут повысить КПД генераторов большой мощности до 99.5%, хотя у обычных генераторов он уже достигает 98.6%. Ежегодная экономия топлива составит 1%. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электропередач могут стать только при передаче по ним большого количества энергии.
Аккумулирование электроэнергии. Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азотом обошлись бы на 3% дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты уменьшаются еще на 5%.
Поезда на магнитной подушке - наиболее перспективное применение сверхпроводников для скоростных поездов. Стоимость сооружения пути длиной 500км обойдется в 1.5 - 4.5 млрд долл. Стоимость самих поездов составит не более 10% от общей суммы затрат, а система охлаждения всего 1%.
Сверхнизкие температуры до 10-6К достигнуты в магнитных холодильниках при использовании магнитоэлектрического эффекта. Такие системы важны для космических и оборонных программ.
СКВИДы (сверхпроводящий квантовый итерференционный детектор). С помощью СКВИДа можно измерять падение напряжения до 10-18В, токи 10-18А (несколько электронов в секунду) и магнитные поля меньшие 10-14Тл. Аналогов подобной чувствительности нет. Новые сверхпроводники позволяют регулировать частоты до 1012Гц (близко к квантовому пределу). Чувствительность обычных приборов не превышает 1010Гц. Применение СКВИДов - магнитоэнцефалография, элементы памяти. СКВИДы используются физиками для исследования кварков, магнитных монополей, гравитонов, геологами для поисков нефти, воды, минералов, разрабатываются детекторы для обнаружения подводных лодок.
Таким образом, в результате исследований в области химических сверхпроводников было решено огромное число проблем и достигнуты действительно выдающиеся результаты. В свою очередь, глубокое понимание физико-химических основ протекающих при получении различных ВТСП-материалов процессов явились первопричинами и краеугольными камнями этого успеха, и это значительно обогатило теорию и практику неорганического синтеза сложных оксидных соединений. Специфика современных российских исследований по ВТСП состоит в высоком удельном весе фундаментальных изысканий, в которых отечественная академическая наука призвана играть немаловажную роль. Именно эти исследования, на мой взгляд, будут способствовать созданию вполне реальных и конкурентоспособных отечественных разработок.
ЗАВТРА
В этот период, возможно, реализуется "голубая мечта" - сверхпроводимость при комнатной температуре с = (300-400) К. В соединениях какого типа? Трудно сказать... Возможно, это будет - что-то такое, о чем мы сейчас и не подозреваем. Когда это произойдет - тоже неизвестно. По словам В.Л.Гинзбурга, "у нас имеется один естественный рубеж - 2011-й год, то есть столетие со дня открытия сверхпроводимости".
Приложение
сверхпроводник свойство температура магнитный
Схема криостата
Чертеж криостата
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Понятие и природа сверхпроводимости, ее практическое применение. Характеристика свойств сверхпроводников 1-го и 2-го рода. Сущность "теории Бардина-Купера-Шриффера" (БКШ), объясняющей явление сверхпроводимости металлов при сверхнизких температурах.
реферат [42,2 K], добавлен 01.12.2010Великие физики, которые прославились, занимаясь теорией и практикой сверхпроводимости. Изучение свойств вещества при низких температурах. Реакция сверхпроводников на примеси. Физическая природа сверхпроводимости и перспективы ее практического применения.
презентация [2,7 M], добавлен 11.04.2015Открытие сверхпроводников, эффект Мейснера, высокотемпературная сверхпроводимость, сверхпроводящий бум. Синтез высокотемпературных сверхпроводников. Применение сверхпроводящих материалов. Диэлектрики, полупроводники, проводники и сверхпроводники.
курсовая работа [851,5 K], добавлен 04.06.2016Открытие явления сверхпроводимости. Первые экспериментальные факты. Эффект Мейснера, изотопический эффект. Теория сверхпроводимости. Щель в энергетическом спектре. Образование электронных пар. Квантование магнитного потока (макроскопический эффект).
дипломная работа [2,7 M], добавлен 24.08.2010Открытие особенностей изменения сопротивления ртути в 1911 году. Сущность явления сверхпроводимости, характерного для многих проводников. Наиболее интересные возможные промышленного применения сверхпроводимости. Эксперимент с "магометовым гробом".
презентация [471,0 K], добавлен 22.11.2010Обращение в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивание магнитного поля из объема. Изготовление сверхпроводящего материала. Промежуточное состояние при разрушении сверхпроводимости током. Сверхпроводники первого и второго рода.
курсовая работа [3,6 M], добавлен 24.07.2010Сверхпроводники. У начала пути. Сверхпроводники первого второго рода. Абрикосовские вихри. Свойства сверхпроводников. Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина - Купера - Шриффера (БКШ) и Боголюбова. Теория Гинзбурга - Ландау.
курсовая работа [60,1 K], добавлен 24.04.2003История открытия сверхпроводников, их классификация. Фазовый переход в сверхпроводящее состояние. Научные теории, описывающие это явление и опыты, его демонстрирующие. Эффект Джозефсона. Применение сверхпроводимости в ускорителях, медицине, на транспорте.
курсовая работа [77,2 K], добавлен 04.04.2014Развитие физики ХХ столетия. Опыты Рикке по проверке неатомного характера тока в металлах, Перрена по определению масс молекул. Эксперименты Э. Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на атомах тяжелых элементов. Открытие сверхпроводимости и сверхтекучести.
курсовая работа [489,4 K], добавлен 10.01.2014Физика низких температур. Низкотемпературные проблемы и возможности сжижения газов. Интенсивность тепловых движений. Свойства газов и жидкостей при низких температурах. Получение низких температур. Сверхтекучесть и другие свойства жидкого гелия.
курсовая работа [988,1 K], добавлен 16.08.2012
