Сверхпроводники

В основе теоретического объяснения явления сверхпроводимости заложено представление об образовании электронных куперовских пар (см. Купера эффект). В сверхпроводнике взаимодействие электронов друг с другом происходит в результате обменного фононного взаимодействия через кристаллическую рещетку. Это означает, что сверхпроводимость должна наблюдаться у веществ, характеризующихся сильным взаимодействием электронов проводимости с ионами решетки кристалла и поэтому являющимися относительно плохими проводниками в обычных условиях Если взаимодействие электронов с решеткой слабое, (вещество — хороший проводник), то перехода в сверхпроводящее состояние зарегистрировать не удается. (медь, серебро, золото). Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферромагнетизм или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция SrTiO₃, относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников можно перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей.

В зависимости от поведения сверхпроводников в магнитном поле различают сверхпроводники I и II рода.

Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры Т_к и критической напряженности магнитного поля Н_к у них малы (максимальное значение Т_к и Н_к в этой группе материалов имеет свинец: Т_к=7, 2 К, Н_к=65кА/м, а минимальное — вольфрам, у которого величина Т_к = 0, 01 К, а Н_к =0, 1 кА/м), что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера. Сверхпроводникам I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Низкие значения Н_к у сверхпроводников I рода существенно ограничивают плотность тока, что препятствует их практическому использованию. Большинство металлов — сверхпроводники I рода с критическими температурами перехода ниже 4, 2 К. Поэтому большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др.

Сверхпроводники II рода переходят в сверхпроводящее состояние не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале температур. Значения Т_к и Н_к у них больше, чем у сверхпроводников I рода. Соответственно для сверхпроводников II рода различают нижнее критическое поле Н_к1, верхнее критическое значение поля Н_к2.

При достижении магнитным полем величины Н_к1начинается проникновение магнитного поля в сверхпроводник, и электроны, скорость которых перпендикулярна Н, под влиянием силы Лоренца начинают двигаться по окружности. Возникают вихревые нити. Ствол нити остается нормальным, несверхпроводящим металлом, вокруг которого движутся электроны, обеспечивая сверхпроводимость. В результате материал обладает как сверхпроводящей составляющей, так и нормальной проводимостью. Т. е. в таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля и достижении более высоких значений Н_к2 нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. При достижении критического значения поля Н_к2 магнитное поле полностью проникает в объём сверхпроводника. Значения Н_к2 для таких сверхпроводников, как Nb₃Sn и PbMo₆S составляют величину порядка10⁵Э. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля — системах магнитной подвески транспортных средств, устройствах удержания плазмы в термоядерных реакторах и т. д. Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода.

Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Т_к = 3, 7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Сверхпроводники II рода, имеющие структурные неоднородности (дефекты решетки, примеси), называют «жесткими» сверхпроводниками. Часто «жесткие» сверхпроводники II рода выделяют в самостоятельный класс — сверхпроводники III рода. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления, например при пластическом деформировании, протяжке и т. д. К «жестким» сверхпроводникам относится большая группа сплавов на основе ниобия и ванадия. Например, такие сплавы, как Nb-Ti, V-Ga, Nb-Ge.Тонкие пленки из сверхпроводниковых металлов Al, Bi, Nb также являются «жесткими» сверхпроводниками. В жестких сверхпроводниках движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис. По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Н_к2 полей при любой ориентации тока и магнитного поля. Следует отметить, что в идеальном сверхпроводнике, полностью лишенном дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длительного отжига сплава), при любой ориентации поля и тока, за исключением продольной, сколь угодно малый ток будет сопровождаться потерями на движение магнитного потока уже при Н > Н_к1. Нижнее критическое поле Н_к1 обычно во много раз меньше Н_к2. Поэтому именно жесткие сверхпроводники, у которых электрическое сопротивление практически равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технических приложений.

Их применяют для изготовления обмоток магнитов сверхпроводящих и других целей. Существенным недостатком жёстких сверхпроводников является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям типа V₂Ga, Nb₃Sn и др.

В настоящее время все вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние условно разделяют на две большие группы: низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. К низкотемпературным сверхпроводникам относят сверхпроводники, у которых Т_к 25 К. К таким сверхпроводникам относятся некоторые металлы и сплавы, ряд полупроводников и интерметаллических соединений типа NbN, TaC. В 1986 были открыты высокотемпературные сверхпроводники, у которых Т_к выше температуры жидкого азота, равной 77 К. К ним относятся сложные соединения — керамика на основе оксида меди (например, Tl₂Ca₂Ba₂Cu₃O₁₀ с Т_к=127 К) и другие оксидные сверхпроводники. Оксидные высокотемпературные сверхпроводники являются соединениями с ионно-ковалентной связью и дефектной по кислороду перовскитно-подобной кристаллической структурой с упорядоченным расположением кислородных вакансий.

Все известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники являются оксидами, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Все соединения кристаллизуются в идеальном или нарушенном структурном типе перовскита. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов.