Перспективные направления в создании материалов с особыми электрическими свойствами

1.1 Сверхпроводники и «горячие» сверхпроводники

Сверхпроводимость - это явление потери сопротивления при температуре 9,7 К (-263,3 С). Переход металлов в сверхпроводящее состояние обусловлен тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки, но вступают во взаимодействие между собой. В результате этого электроны с противоположно направленными спинами спариваются, и результирующий спиновый момент становится равным нулю.

В 1933 г. Было обнаружено, что в сверхпроводящем состоянии внутри проводника магнитное поле равно нулю (=0, В=0); магнитное поле как бы «выталкивается» из сверхпроводника - это явление получило название - эффект Мейснера. Сверхпроводники являются идеальным диамагнетиком.

Температура сверхпроводимости (ТС) зависит от природы сверхпроводника и от напряженности магнитного поля Н. При некоторой НС сверхпроводимость исчезает.

1.2 Структура высокотемпературных сверхпроводников

В каждом случае требовались эксперименты по дифрактации нейтронов, так как расположение атомов не влияет на данные по дифракции рентгеновских лучей. Соединения лантана имеют В1987 г. Беднорц и Мюллер были удостоены Нобелевской премии по физике за то что они установили, что система La-Ba-Cu-O испытывает сверхпроводящий переход при охлаждении ниже 35 К.

Первоначально отношение к работе Беднорца и Мюллера было несколько скептическим. Было известно, что попытки открытия сверхпроводимости при высоких температурах в других веществах оказались безуспешными. Например, в CuCl наблюдалась значительная диамагнитная аномалия при температуре - 250 К. Работа вызвала большой интерес, хотя исследователи, обнаружившие этот эффект, понимали, что нет достаточных оснований претендовать на открытие высокотемпературной сверхпроводимости. Действительно, в CuCl никогда не наблюдались полный диамагнетизм и уменьшение электрического сопротивления до нуля, так что окончательные доказательства сверхпроводимости отсутствовали. Другой причиной неверия в важность результатов Бендорца и Мюллера явилось то, что электрическое сопротивление La-Ba-Cu-O становилось равным нулю лишь при 11 К.

Тем не менее, данные, полученные Беднорцем и Мюллером, были подтверждены в конце 1986 г. В Токийском и Хьюстонском университетах.В начале 1987 г. Исследовательские группы в разных лабораториях обнаружили, что замена бария на стронций в системе La-Ba-Cu-O приводит к увеличению величины перехода в сверхпроводящее состояние при 40 К. Последующие попытки увеличить температуру перехода, предпринятые главным образом в Китае, Японии и США, увенчались успехом - открытием группой исследователей из Университета шт. Алабамы соединения, являющегося сверхпроводником при температуре жидкого азота. Величина температуры перехода зависит от режима термообработки и концентрации кислорода. Следует отметить, что некоторые исследователи сообщают «температуру начала перехода», при которой электрическое сопротивление начинает резко уменьшаться; другие исследователи используют в качестве критической температуру, при которой электрическое сопротивление становится неизмеримо малым.

После открытия вышеупомянутых сверхпроводников с необычайно высокой температурой перехода последовало открытие двух классов соединений, имеющих еще более высокие значения температуры начала перехода. Первый класс соединений представляет собой систему Bi-Sr-Ca-O с температурой начала резкого уменьшения электрического сопротивления 120 К и полным диамагнетизмом, также являющимся характеристикой сверхпроводников, при 110 К. Вскоре за этой работой последовало открытие группы ученых в Арканзасском университете соединения Ti-Ba-Ca-Cu-O с температурой перехода по электрическому сопротивлению - 140 К и температурой диамагнитного перехода 118 К.

Из предложенной теории следует, что в известных высокотемпературных и «горячих» сверхпроводниках электроны фактически не чувствуют ионный остов самого материала и поэтому они могут двигаться как в кристаллических, так и аморфных телах. Причем совершенно не важно, органический это материал или неорганический. Основным требованием к материалу является наличие полупроводящих свойств выше критической температуры, их технологичность и низкая стоимость. Другими словами, для того, чтобы возникала «горячая» сверхпроводимость, необходимо иметь заданную концентрацию электронов в материале. При превышении заданной концентрации возрастает сечение взаимодействия электронов, они не могут развернуться в полный кольцевой электрон и образовать токовую нить. На рис. 14.1 показан пример реализации горячей сверхпроводимости на нанотрубках.

При концентрации электронов, меньше заданной, электроны могут разворачиваться в кольца, но не могут образовать токовую нить. Отсюда следует, что легирование материалов определенным образом может придать сверхпроводящие свойства широкому классу материалов от диэлектриков до полупроводников, включая органические материалы.

«Горячие» сверхпроводники могут обладать свойствами сверхпроводников 1 и 2 рода, как и обычные сверхпроводники. Токовые нити у них могут располагаться на поверхности (1 рода) или распределяться по всему объему материала (2 рода).

С помощью наноструктурирования материала самих «горячих» сверхпроводников (1 рода) можно создавать условия сверхпроводимости токовых нитей на нанодефектах или на нанокластерах. Тем самым их можно преобразовывать в «горячие» сверхпроводники 2 рода.

Рисунок 1 - Сверхпроводящий кабель на основе легированных нанотрубок

Использование «горячих» сверхпроводников 1 рода позволит увеличить добротность резонаторов СВЧ приборов на пять порядков, доведя ее до 3х109 . Такие резонаторы на «горячих» сверхпроводниках можно использовать в радиотелефонах, радиолокационных станциях, измерительных приборах и т.п.

Активные элементы (транзисторы) на «горячих» сверхпроводниках 1 рода имеют граничную частоту 3,5х1011 Гц практически при полном отсутствии тепловых шумов. Использование таких транзисторов в СВЧ приемниках резко увеличивает их чувствительность, что уменьшает требования к мощности передатчиков.

Большое количество логических элементов и энергонезависимую память для компьютеров можно также создать на «горячих» сверхпроводниках. Кроме того, большой класс логических элементов для компьютеров из обычных сверхпроводников был разработан и запатентован фирмой IBM до 1980 года. Затем фирма IBM свернула работы в этой области как не перспективные из-за необходимости создания криогенных температур. Срок действия этих патентов заканчивается. А все разработки фирмы IBM можно реанимировать на «горячих» сверхпроводниках, не нарушая авторских прав.

Логические уровни переключения в сверхпроводящих чипах, по крайней мере, в 10 раз ниже, чем у современных кремниевых чипов. Вследствие этого, потребление энергии у них уменьшается, как минимум, в 100 раз. Кроме того, быстродействие у таких чипов также выше, как минимум, в 10 раз. А в режиме отключенного питания они сохраняют исходную информацию неограниченное время.

Важно, что логические уровни у чипов из «горячих» сверхпроводников близки к биологическим потенциалам живой клетки. Их рабочие температуры совместимы с температурами человека. Отсюда открывается принципиальная возможность создания биоэлектрических вычислительных систем и биологически совместимых управляемых протезов, а в будущем - и нейрокомпьютеров.

Не менее значимой проблемой является скорость передачи сигналов в интегральных чипах и между ними. В настоящее время для этого используются алюминиевые или медные проводники, что приводит к временным задержкам и затуханию сигналов. Эта проблема полностью решается при замене проводников «горячими» сверхпроводниками.

В настоящее время самыми современными линиями передачи информации на большие расстояния являются оптоволоконные линии связи, которые имеют пропускную способность на одной длине волны до 1 Гбит/с. Многоволновые оптоволоконные линии связи позволят пропускать порядка 100 Гбит/с. Сейчас, на больших расстояниях оптоволокно полностью вытесняет линии связи на металлических проводниках. Это происходит из-за больших потерь широкополосного сигнала при распространении в металлических коаксиальных кабелях. При замене в линиях связи металла на «горячие» сверхпроводники, затухание сигналов в полосе 350 ГГц практически будет отсутствовать. Качество таких линий связи не будут уступать оптоволоконным. Важно, что в таких линиях связи не надо делать преобразования электрического сигнала в оптический и обратно. Это резко упрощает проблему передачи и коммутации цифровой информации.

Наиболее просто получить комнатную сверхпроводимость можно на длинных волокнах из нанотрубок. Технологии изготовления нанотрубок, пригодных для создания горячих сверхпроводников только начала развиваться. Стоимость на рынке калиброванных углеродных нанотрубок составляет не менее 500 долларов за грамм. Безусловно, со временем технологии усовершенствуются. Себестоимость должна упасть до приемлемого при широком промышленном использовании до 1 доллара за грамм. Возможно, существует и более простой путь создания калиброванных нанопроволок произвольной длины путем синтеза их из белков типа тубулин. Оказалось, что тубулин является основным белком, из которого построены нервные волокна, каркас клеток, по которым осуществляется внутриклеточный транспорт компонентов, органы их передвижения типа жгутиков и т.п. Этот важный белок, как оказалось, образует нанотрубки любой длины.

Из тубулиновых нанотрубок формируются аксоны, по которым распространяются без затухания нервные импульсы, причем процесс осуществляется в электролите. Физика этого процесса до сих пор не раскрыта полностью. Возможно, что здесь осуществляется горячая сверхпроводимость при температуре человеческого тела. Мозг человека и весь мыслительный процесс не вписывается в классические теории передачи и обработки информации. Рабочая температура мозга (информационная) оказалась значительно ниже, чем тепловой шум, создаваемый мозгом при физиологическом функционировании. В мозге человека существует 1010 нейронов, причем каждый нейрон имеет в среднем 104связей, при тактовой частоте порядка 100 возбуждений за 1 секунду. Это составляет 1016 операций в секунду при потреблении энергии всего несколько джоулей, что близко к термодинамическому пределу 3,4 1020 операций на джоуль. В среднем, вычислительные системы на кремниевых интегральных схемах по сравнению с мозгом потребляют на одну логическую операцию энергии в 109 - 1010 раз больше. Например, один из самых крупных суперкомпьютеров IBM ASCI Purple совершает 1014 операций в секунду, весит 195 тон и потребляет киловатты энергии.

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ