Высокотемпературная сверхпроводимость: история открытия, физика явления и перспективы использования

Явление сверхпроводимости был открыто в 1911-м году голландским физиком и химиком Хейке Камерлинг-Оннесом. Изначально сверхпроводники имели очень ограниченное применение , поскольку их рабочая температура не должна была превышать 20К (-253°C).

Сверхпроводящее состояние, в котором электрическое сопротивление вещества равно нулю, разрушается, если температура оказывается выше так называемой критической.

Так, например, температура жидкого гелия в 4,2К (-268,8°C) хорошо подходит для работы сверхпроводника, но для охлаждения и поддержания такой низкой температуры требуется затратить много энергии, что технически весьма проблематично.

В апреле 1986 г. в журнал физического общества «Zeitschrift fur Physik» поступила статья швейцарских ученых Герога Беднорца и Карлоса Мюллера, в которой сообщалось об открытии нового класса сверхпроводников — керамик из лантана, бария, меди и кислорода. Эта работа сравнительно быстро привлекла внимание физиков и химиков из многих лабораторий мира.

Создание новых сверхпроводящих керамик и изучение их свойств подобно «золотой лихорадке» охватило ведущие исследовательские центры уже в конце 1986 г. Сенсационные результаты, возбуждавшие фантазию не только специалистов, но и широкой общественности, следовали друг за другом и, наконец, в феврале 1987 г. в США были синтезированы первые высокотемпературные сверхпроводники (High-temperature superconductors).

До этого открытия максимальное значение критической температуры составляло 23,2 К. Этот рекорд принадлежал соединению NbaGe (сплав ниобий-титан) и был достигнут в 1973 г. (Исторически первым сверхпроводником была ртуть, для которой критическая температура примерно 4 К.)

Высокотемпературные сверхпроводники, открытые Мюллером и Беднорцем, показали критическую температуру значительно выше, и температуры жидкого азота в 75К (-198°C) таким проводникам вполне достаточно для работы. Кроме того, азот значительно дешевле гелия в качестве хладагента.

Изучение и применение сверхпроводимости связано с необходимостью получения низких температур. Достигается это путем охлаждения вещества криогенными жидкостями. Наиболее низкие температуры получают с помощью жидкого гелия. При атмосферном давлении он кипит при 4,2 К.

Однако гелия мало, он дорог, а его использование требует сложного и тоже дорогостоящего оборудования. Наиболее удобная для практики криогенная жидкость — жидкий азот. При атмосферном давлении температура кипения его составляет 77 К. Ожижение азота производится непосредственно из воздуха, а испаряющийся в процессе кипения газ вновь уходит в атмосферу.

С этими обстоятельствами и связаны многолетние надежды физиков и инженеров — получить сверхпроводники с критической температурой, большей 77 К. Именно такие материалы можно назвать высокотемпературными сверхпроводниками.

Доктор физико-математических наук Р. Г. Минц

Открытие в 1987 году «скачка проводимости почти до нуля» при температуре 36К (-237°C) у соединений лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) стало началом. Затем впервые было открыто свойство соединения иттрия, бария, меди и кислорода (Y—Ba—Cu—O) проявлять сверхпроводящие свойства при температуре 77,4К (-195,6°C), превышающей температуру кипения жидкого азота.

Столь резкий и быстрый рост критической температуры свидетельствовал о том, что достигнутые результаты не предел. Исследования интенсивно продолжались во всех ведущих центрах.

В 2003 году открыли керамическое соединение Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), имеющее критическую температуру 138К (-135°C), и доходящую до 166К (-107°C) при давлении 400 кбар, а в 2015 году был установлен новый рекорд для сероводорода (H2S), который стал сверхпроводником при давлении в 100 ГПа, при температуре не превышающей 203К (-70°C).

Сверхпроводимость как физическое явление, впервые на микроскопическом уровне, была объяснена в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера еще в 1957 году.

В основу их теории была положена концепция о так называемых куперовских парах электронов, а сама теория получила название теории БКШ, по первым буквам фамилий ее авторов, и по сей день эта макроскопическая теория сверхпроводников является доминирующей.

Согласно этой теории, состояния электронов куперовских пар коррелируют с противоположными спинами и импульсами. Вместе с тем, в теории использовались так называемые преобразования Николая Боголюбова, показавшего, что сверхпроводимость можно рассматривать как процесс сверхтекучести электронного газа.

Вблизи поверхности Ферми электроны могут эффективно притягиваться, взаимодействуя между собой посредством фононов, причем притягиваются лишь те электроны, энергия которых отлична от энергии электронов на поверхности Ферми не более чем на величину hVd (здесь Vd – Дебаевская частота), а остальные электроны не взаимодействуют.

Взаимодействующие электроны и объединяются в куперовские пары. Эти пары обладают некоторыми, характерными для бозонов, свойствами, а бозоны при охлаждении могут переходить в одно квантовое состояние. Таким образом, благодаря этой особенности, пары могут двигаться, не сталкиваясь ни с решеткой, ни с другими электронами, то есть куперовские пары движутся без потерь энергии.

Практически, высокотемпературные сверхпроводники обеспечивают передачу электроэнергии без потерь, что делает их внедрение и применение в будущем полезным и эффективным.

Представьте, что по проводам, обмоткам двигателей, линиям электропередач ток идет практически без потерь. А ведь сегодня до 40 % электроэнергии уходит на «обогрев» атмосферы.

Использование сверхпроводимости в измерительной аппаратуре, в сверхчувствительных приборах даст совсем иную по точности картину процессов, протекающих в веществе и живых организмах. Например, магнитограмма, снимаемая при помощи сверхпроводящих приборов, будет содержать гораздо более полную картину болезни, чем сегодняшняя кардиограмма. Другими словами — это завтрашний день медицины.

Можно предвидеть крупные изменения и в электронике с выделением в ней новой отрасли науки и техники — сверхпроводящей электроники.

Уже существуют проекты сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии для создания аккумулирующих мощностей в масштабах энергосистем. Разрабатываются криогенные линии электропередач на постоянном и переменном токе.

Криогенные магнитные системы могут находят применение в скоростном транспорте на магнитной подвеске и во многих других областях науки и техники.

Силовые кабели, трансформаторы, электрические машины, индуктивные накопители энергии с неограниченным сроком ее хранения, ограничители тока и т.п., — всюду в электротехнике применимы высокотемпературные сверхпроводники.

Габариты будут уменьшены, потери будут снижены, эффективность производства, передачи и распределения электрической энергии в целом повысится. Трансформаторы будут иметь меньшую массу и очень низкие потери, по сравнению с трансформаторами, обладающими обычными обмотками . Сверхпроводящие трансформаторы будут экологически безопасными, их не нужно будет охлаждать, а в случае перегрузки ток будет ограничен.

Сверхпроводящие ограничители тока менее инерционны. При включении накопителей энергии и сверхпроводящих генераторов в электрические сети, повысится их стабильность.

Электроснабжение мегаполисов будет осуществляться посредством сверхпроводящих подземных кабелей, которые смогут проводить в до 5 раз больший ток, а прокладка таких кабелей позволит значительно экономить городские площади, поскольку кабели будут более компактными по сравнению с применяемыми сегодня.

Расчеты показывают, что, например, построение ЛЭП на 1ГВт при напряжении 154 кВ, если использовать сверхпроводящие кабели, обойдется на 38% дешевле, чем если бы это было реализовано по стандартной технологии. И это с учетом конструирования и монтажа, ведь число требуемых нитей меньше, соответственно общее количество кабеля меньше, и внутренний диаметр кабелепроводов также меньше.

Примечателен тот факт, что по сверхпроводящему кабелю можно передать значительную мощность и при низком напряжении, снизив электромагнитное загрязнение окружающей среды , а это актуально для густонаселенных районов, где прокладка высоковольтных линий порождает беспокойство, как среди экологов, так и у общественности.

Перспективно внедрение высокотемпературных сверхпроводников и в сферу нетрадиционной энергетики , где экономичность выступает отнюдь не второстепенным фактором, и применение здесь сверхпроводников повысит эффективность новых источников энергии. Тем более, уже на ближайшие 20 лет, имеет место устойчивая тенденция к их быстрому развитию в мире.