Сверхпроводники первого и второго рода

Сверхпроводники первого и второго рода. По своим магнитным свойствам сверхпроводники делятся на сверхпроводники Й и ЙЙ рода. К сверхпроводникам Й рода относятся все элементы-сверхпроводники кроме ниобия.

Ниобий, сверхпроводящие сплавы и химические соединения являются сверхпроводниками ЙЙ рода. Главное отличие этих двух групп сверхпроводников заключается в том, что они по-разному откликаются на внешнее магнитное поле. Основным препятствием для широкого применения металлических сверхпроводников является необходимость их эксплуатации при сверхнизкой температуре.

Использование для их охлаждения жидкого гелия при Т=4К создает значительные трудности и не всегда оправданно экономически. При сверхнизких температурах тепловое движение в веществе практически прекращается, и под воздействием электронов возникают слабые колебания атомов. Эти колебания, похожие на звуковые волны, но имеющие квантовый характер, советский физик Игорь Евгеньевич Тамм назвал фононами. Современная теория сверхпроводимости – БКШ – теория (Бардин, Купер, Шриффер – лауреаты Нобелевской премии за 1972 год) была опубликована в 1957 году. Как можно понять из ее объяснения, она представляет собой микроскопическую теорию сверхпроводимости, основанную на тех же положениях, что и теория Ландау. В БКШ – теории исследованы также электра и термодинамические свойства сверхпроводников.

Поиск сверхпроводников с большой критической температурой привел к получению в 1988 – 1989 гг. высокотемпературных металлокерамических сплавов (Ba-Yt-Cu-O) и (Tl-Ca-Ba-Cu-O) с большой критической температурой (см. таблицу 1). Получение сверхпроводящих состояний для этих сплавов возможно с помощью недорогого и безопасного в эксплуатации жидкого азота, имеющего температуру кипения 77К. наибольшее наблюдавшееся значение Ткр составляет ~ 20К. В настоящее время усилия физиков направлены на получение сверхпроводников с критической температурой, близкой к комнатной.

Эти сверхпроводники должны удовлетворять высоким требованиям к механической прочности и химической стабильности.

Механизм сверхпроводимости у так называемых высокотемпературных сверхпроводников (сТк Провидите все операции в помещении, оборудованном вытяжкой это, впрочем, обязательный элемент оборудования любой лаборатории. В том числе и в школьной. Замечания к рецепту. Указанные количества исходных компонентов позволяют получить примерно 7 грамм сверхпроводника Y-Ba-Cu-O, или около 5 таблеток диаметром 1см. и толщиной 1мм. Некоторые трудности, встречающиеся при изготовлении: Исходные компоненты не относятся к числу редких веществ.

Их можно найти в различных научных учреждениях, а также на многих предприятиях. Получить описываемый сверхпроводник можно по более простой схеме и из других компонентов. Однако лучше начинать с приведенного рецепта. Для отжига можно использовать печь, предназначенную для изготовления керамики. Такие печи есть во многих кружках керамики и в художественных студиях. Дело в том, что изготовляемый сверхпроводник так же представляет собой керамику, как и некоторые знакомые предметы домашнего обихода.

Только нам нужна керамика – металл, поэтому таблетки будут получаться другого цвета – черные. Цвет керамического сверхпроводника – важный показатель его качества. Если он получится с прозеленью, значит, опыт изготовления был не удачен, и все надо начинать сначала (при этом можно измельчить получившиеся таблетки). Зеленый цвет свидетельствует о недостатке кислорода в образце. Желательно получить материал с химической формулой: Y-Ba2Cu3O7. Однако контролировать содержание кислорода по исходной смеси невозможно, к тому же кислород способен улетучиваться в процессе изготовления.

Так что подача кислорода в печь при отжиге существенна. Сам кислород можно получить в научных, медицинских, производственных организациях (он используется, например, при сварке). Для подачи его в печь можно применить насос, который служи для накачки воздуха в аквариум. Скорость подачи кислорода может быть минимальной такой, что бы кожа ощущала легкое дуновение газа. Довольно существенно поддержание температуры отжига.

Работа будет бесполезной, если температура отжига опускается ниже 900°С. Превышение рабочей температуры на 100° приведет к расплавлению смеси. Тогда придется ее вновь растолочь и начать все с начала. Так что надо предварительно проверить термометр печи, обычно он показывает далекие от истины значения. Очень важно медленно охлаждать изготовленные таблетки – быстрое охлаждение ведет к потере кислорода.

Таким образом, первоначально цикл отжиг-охлаждение будет занимать 20 часов. Необходимо организовать ночные дежурства. При изготовлении понадобится также пресс. Оценка показывает, что нужно развивать усилие в 7 тысяч на таблетку диаметром около 1 см чтобы получить хороший образец. По-видимому, таблетки можно прессовать даже с помощью самодельного винтового пресса. Стоит обратить внимание также на выбор тигля, в котором отжигается материал. Металлический тигль может реагировать со сверхпроводником, иногда с нежелательными последствиями.

К тем же последствиям могут привести примеси в смеси исходных материалов. Например, 2-3% примеси атомов железа вместо меди ведут к подавлению сверхпроводимости. Что можно делать с изготовленными таблетками? Можно убедиться в резком падении сопротивления при сверхпроводящем переходе. Однако с помощью стандартных приборов вряд ли удастся по величине сопротивления отличить сверхпроводящий образец от медного. Экспериментально сверхпроводимость можно наблюдать, включив в общую электрическую цепь звено из сверхпроводника.

В момент перехода в сверхпроводящее состояние разность потенциалов на концах этого звена обращена в ноль. Явление сверхпроводимости можно понять и обосновать только с помощью квантовых представлений. Почти полвека сущность этого явления оставалась не расшифрованной, из-за того, что методы квантовой механики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела. Гораздо нагляднее демонстрация эффекта Майснера.

В любом случае для охлаждения понадобится жидкий азот. (Майснер Вальтер Фриц (1882-1974гг.), немецкий физик). 7.6 Эффект Майснера. Директор лаборатории низких температур Баварской Академии Наук. В 1932 году совместно с Р. Хольман наблюдал Эффект туннелирования между двумя сверхпроводниками, совместно с другим обнаружил эффект, названный его именем. Эффект Майснера, вытеснение магнитного поля из металлического проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние открыт в 1933 году немецкими физиками В. Майснером и Р. Оксенфельдом.

До 1993 года считалось, что сверхпроводник – это и есть идеальный проводник. Но вот Майснер и Оксенфельд поставили опыт и обнаружили, что это не так! Оказалось, что при Т < Ткр поле в образце равно нулю (В=0, где В – индукция) всегда, независимо от пути перехода к условию Т < Ткр при наличии внешнего магнитного поля. Это было чрезвычайно важное открытие. Ведь если В=0 независимо от предыстории образца, то это равенство можно рассматривать как характеристику сверхпроводящего состояния, которое возникает при Н < Нст. Но тогда можно рассматривать переход в сверхпроводящее состояние и использовать для исследования сверхпроводящей фазы вещества всю мощь термодинамического подхода. 8.