Сверхпроводящие материалы и их применение

Сверхпроводящие материалы могут проводить электричество или переносить электроны от одного атома к другому без сопротивления. Это означает, что тепло, звук или любая другая форма энергии не будут высвобождаться из материала.

Температура при которой проявляется явление сверхпроводимости для большинства материалов должна быть очень низкой. Материал в этом случае будет находиться в крайне низком энергетическом состоянии (очень холодном).

Ведутся исследования по разработке соединений, которые становятся сверхпроводящими при более высоких температурах. В настоящее время для охлаждения сверхпроводников необходимо использовать избыточное количество энергии, что делает их не всегда эффективными и экономичными. Сверхпроводящие материалы
Синтезировано несколько сверхпроводящих материалов. Решающий прогресс был достигнут в 1987 году с открытием высокотемпературной сверхпроводимости в соединениях на основе меди (купратах), которые показали новые уникальные свойства.
Хотя большинство сверхпроводящих материалов – это металлы, есть и необычные исключения. Некоторые требуют добавления дополнительных элементов для “допинга” материала и работают тонко различными способами, которые бросают вызов существующим теориям.

Типы материалов проявляющих явление сверхпроводимости

Сверхпроводящие материалы классифицируются на два вида: типа I и типа II.

I тип

Сверхпроводящие материалы типа I состоят из основных проводящих элементов, которые используются во всем, от электропроводки до компьютерных микросхем. В настоящее время явление сверхпроводимости у этих материалов проявляется при температуре от 0,000325 °K и 7,8 °K при стандартном давлении.

Некоторые сверхпроводящие материалы типа I требуют невероятного давления, чтобы достичь сверхпроводящего состояния. Одним из таких материалов является сера, которая требует давления 9,3 миллиона атмосфер (9,4 х 1011 Н / м2) и температуры 17 °К для достижения сверхпроводимости.
Некоторые другие примеры типов сверхпроводников содержат ртуть – 4.15 °, свинец – 7.2 °к, алюминий – 1.175 °K и цинк – 0.85 °К.
Примерно половина элементов в периодической таблице являются сверхпроводящими. Сверхпроводники типа 1, в основном, состоят из металлов и металлоидов, которые имеют сопротивление току при комнатной температуре. Они требуют невероятного холода, чтобы замедлить молекулярные вибрации в достаточной степени, чтобы облегчить свободный поток электронов.
Сверхпроводимость металлов требует холодных температур, чтобы проявилось явление. Они обладают очень резким переходом в сверхпроводящее состояние и “идеальное” диамагнетизм – возможность полностью отразить магнитного поля.

Удивительно: медь, серебро и золото, три лучших металлических проводников не попали в число сверхпроводящих материалов, как и драгоценные металлы. Почему бы это?
  • Свинец (PB) 7,196 К
  • Лантан (La) 4,88 К
  • Тантал (Та) 4,47 К
  • Ртуть (HG) 4,15 К
  • Олово (SN) 3,72 К
  • Индий (В) 3,41 К

Тип 2

Сверхпроводящие материалы типа II состоят из металлических соединений. Они достигают сверхпроводящего состояния при гораздо более высоких температурах по сравнению с материалами I типа. Причина такого резкого повышения температуры до конца не выяснена.

Самая высокая температура сверхпроводимости при нормальном давлении на сегодняшний день составляет 135 °K или -138 °C соединением (HgBa2Ca2Cu3O8), которое попадает в группу, известных как купратные перовскиты. Эта группа материалов обычно имеет соотношение 2 атома меди к 3 атомам кислорода и считается керамической.

Сверхпроводники типа II также могут быть пронизаны магнитным полем, тогда как сверхпроводники типа I – нет.
За исключением элементов ванадия, технеция и ниобия, категория сверхпроводников типа 2 состоит из металлических соединений и сплавов.

Недавно открытые сверхпроводящие перовскиты (металлоксидная керамика), относятся к этой группе типа 2. Они достигают более высоких температур, чем материалы типа 1, с помощью механизма, который до сих пор полностью не изучен. Общепринятая точка зрения гласит, что он относится к слоям внутри кристаллической структуры.

Сверхпроводящие купраты (оксиды меди) достигли поразительно высоких Tc, если учесть, что к 1985 году известные Tc достигли только 23 Кельвина. На сегодняшний день максимальная температура, достигаемая при атмосферном давлении для материала, который образуется стехиометрически (путем прямого смешивания), составляет 147 Кельвинов. И самый высокая температура в целом составляет 216 градусов Цельсия для материала, который не образуется стехиометрически. Почти наверняка среди высокотемпературных сверхпроводников еще ждут открытия другие, более синергетические соединения.

Сверхпроводники типа 2 – также известные как “жесткие” сверхпроводники отличаются от сверхпроводников типа 1 тем, что их переход из нормального состояния в сверхпроводящее происходит постепенно в области “смешанного состояния”. Поскольку Тип 2 допускает некоторое проникновение внешнего магнитного поля в его поверхность, это создает некоторые довольно новые мезоскопические явления, такие как сверхпроводящие “полосы” и “вихри решетки потока”.

(Sn – олово, Sb – сурьма, Te – теллур, Ba – барий, V -ванадий, Mg – магний, O – кислород)

  • Sn12SbTe11Ba2V2Mg24O50         216 K
  • Sn 11 SbTe10Ba2V2Mg22O46   209 K
  • Sn11SbTe10Ba2VMg23O46       202 K
  • Sn10SbTe9Ba2MnCu21O42      187 K
  • Sn9SbTe8Ba2MnCu19O38       178 K
  • Sn8SbTe7Ba2MnCu17O34       167 K

Ученые утверждают про новое открытие, что супергидрид лантана (LaH10) имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние  на уровне 250 кельвинов, но при огромном давлении.

Применение сверхпроводимости

По состоянию на сейчас понятно, что сверхпроводящие материалы становятся таковыми при очень низкой температуре или крайне высоком давлении. Это ограничивает их широкое применение. Низкие температуры достигаются с помощью устройства криостата. Эти устройства дороги, велики и, как правило, требуют высокого технического обслуживания. Они также имеют ограниченный срок службы, поскольку  используют энергию, и поэтому не идеальны для длительных космических миссий.

  • Сверхпроводник не пропускает  электромагнитное излучение и может использоваться в микроволновых устройствах и в устройствах для защиты от излучения при ядерном взрыве.
  • Сверхпроводимость необходима  в приборах медицинской диагностики, например, в устройствах магнитно-резонансной томографии (МРТ). Здесь магнитные катушки должны находиться на достаточно низком уровне температуры для того, чтобы томограф давал сильное однородное магнитное поле. Криостаты используются для охлаждения этих систем, что делает оборудование намного крупнее и дороже. Сверхпроводники позволили бы использовать различное медицинское оборудование для домашней диагностики.
  •  В проектах по термоядерной энергии где требуются сильные магнитные поля.
  •  В высокопроизводительных  квантовых компьютерах.
  •  В устройствах передачи и аккумулирования энергии.

Явление сверхпроводимости при комнатной температуре для высокоэффективных линий электропередач, поездов на магнитной подвеске и других применений может оказывать глубокое влияние на общество.

Хотя было много обещаний в непосредственном охлаждении электронов, этого еще не произошло. Без фундаментального понимания того, как высокотемпературные сверхпроводники работают прогресс идет медленно.