Значение сверхпроводимости в современном мире и в ближайшем будущем

С 16 по 20 сентября в Брюсселе состоялась всеевропейская конференция EUCAS-2007 по проблемам изучения и использования явления сверхпроводимости. Состоявшуюся конференцию без преувеличения можно назвать съездом победителей. EUCAS-2007 зафиксировал очередной триумф человеческой мысли, который возможно станет ключом к решению глобальных энергетических и экологических проблем на планете в XXI веке.

Человечество стоит на пороге очередного технологического прорыва, способного перевернуть привычный всем нам мир. Масштабы новой индустриальной революции могут сравнится с тем, как изменился образ жизни людей после обнаружения замечательных свойств полупроводников.

В этом материале портал Energyland представит читателям подробный экскурс в историю сверхпроводников и обзор последних достижений мировой науки и техники по изучению и применению явления сверхпроводимости.

Сверхпроводимость – свойство, которое проявляется у некоторых материалов в виде резкого падения удельного электрического сопротивления вплоть до нуля при температуре ниже определённого значения.

Ныне известно свыше 500 чистых элементов и сплавов, обнаруживающих свойство сверхпроводимости. Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей градуса, и поэтому имеет смысл определённое значение Тс — температура перехода в сверхпроводящее состояние. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Тс изменяются в пределах от 0.0005 K (Mg) до 23,2 К (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB2).

Известны два вида сверхпроводимости: низко- (характерная для чистых элементов) и высокотемпературная (сложные соединения).

1. Значение сверхпроводимости

Потенциальная выгода от широкого использования явления сверхпроводимости очевидна: радикальное снижение потерь электроэнергии при ее выработке и передаче, уменьшение в разы размеров генерирующего оборудования и двигателей, создание новых электронных приборов,  разработка сверхмощных электромагнитов для научных исследований и промышленности, разработка новых направлений в медицине, использование эффекта левитации на железной дороге. 

Распространению сверхпроводимости, не в последнюю очередь, способствуют жесткие ограничения на выбросы парниковых газов, установленные Киотским протоколом. Например, Европа должна уменьшить выбросы газов на 8% к 2012 году по сравнению с 1990 годом. Финские ученые подсчитали, что эту задачу можно было бы выполнить при широком применении сверхпроводимости на электростанциях и в системах передачи и распределения энергии, что дало бы возможность снизить количество сжигаемого топлива, не уменьшив выработку электроэнергии.

2. Использование сверхпроводимости 

Ученые всей земли долго бились над проблемой практического применения сверхпроводимости, и, похоже, что этот вопрос успешно разрешился. Человечество «оседлало» сверхпроводимость. Это явление все чаще используется в современной электронике, энергетике, промышленности и медицине. 

Согласно данным известного в Европе консорциума Conectus, специально созданного в целях изучения и пропаганды возможностей коммерческого использования явления сверхпроводимости, международный рынок оборудования, использующего это явление к 2010 году составит 5 млрд. $ и вырастит до 38 млрд. $ к 2020 году.




На сегодняшний день основные сферы применения сверхпроводимости - это медицинские установки магнитно-резонансной терапии (именно в этих аппаратах впервые удалось эффективно использовать явление) и электроника. К 2020 году ситуация изменится. Сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике.  



Исследование мозга человека с использованием магнитно-резонансного аппарата дает незаменимую информацию для медицины.

Выделяют три больших области использования сверхпроводников:

• различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.;
• микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей (SQUID), цифровая электроника, искусственные биологические системы;
• макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.
  

Сверхпроводящие магниты

Впервые сверхпроводимость была применена при создании магнитов с высокими критическими полями. К середине 1960-х годов с помощью них были получены магнитные поля выше 100 кГс в небольших лабораториях. Создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало огромных затрат электроэнергии и количества воды для их охлаждения.

В 2007 году ученым из Госудаственного универститета Флориды в сотрудничестве с компанией SuperPower inc. с помощью сверхпроводниковой катушки был достигнут рекордный показатель индукции магнитного поля: 26,8 Тесла. Он приблизил ученых к числу 30 Тесла, которое определил Национальный научно-исследовательский совет США. Разработка такого магнита даст большой толчок во многих областях науки, таких как физика, биология и химия, а также позволит сократить стоимость производства и использования мощных магнитов. Ученые использовали сверхпроводниковый материал иттриего-бариевый оксид меди.

Разработчики говорят, что потенциал этого материала далеко не исчерпан и их достижение - это только начало. По их прогнозу,  на основе этого материала очень скоро можно будет получить магниты с силой поля более 30 Тесла, что на порядок больше потолка в 22-23 Тесла, которым обладают современные ниобиевые сверхпроводниковые магниты. В теории, магниты на основе итербий-бариевого оксида меди способны создать поле до 50 Тесла, а это значит, что потенциала для развития у этого материала хватит как минимум на 20 лет.


Сверхпроводниковая электромагнитная катушка 

Электроника

Еще одно практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать ничтожное напряжение. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10^-9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики.


Принципиальное устройство устройства на основе контакта Джозефсона

Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.

Компьютеры

Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.

Передача энергии

Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной.

Примеры характеристик сверхпроводящих кабелей

Проект «Гидра»

В 2007 году в США началась реализация "Проекта «Гидра» (Project Hydra), за которым внимательно наблюдает вся заинтересованная общественность в мире. Проект реализует корпорация American Superconductor (AMSC).

Полная стоимость проекта оценивается в 39,3 млн. долл. Министерство национальной безопасности США (Department of Homeland Security (DHS)) планирует инвестировать в данный проект 25 млн. долл., ожидая, что в дальнейшем это позволит использовать технологию безопасных энергосистем «Secure Super Grid™» на основе ВТСП проводов, кабелей и токоограничителей в сетях США. Министерство подписало с AMSC предварительное соглашение на 1.7 млн. долл. (из них 1.1 млн. долл. от DHS), и работа над проектом началась. Подписано отдельное соглашение между AMSC и Con Edison – субподрядчиком этого проекта.

В рамках контракта будет разработана и построена беспрецедентная по защищенности и степени резервирования система электроснабжения центра г. Нью-Йорка, исключающая нарушение электроснабжения при любых авариях (из-за погоды, технологических сбоев, атак террористов). Название «Проект Гидра» («Project Hydra») программа получила по ассоциации c многоголовым мифическим чудовищем. Подобно тому как у него отрастали головы после их отсечения, так электроснабжение должно иметь множество запасных каналов на аварийные случаи (рис. 1).



Рис.1. Схема размещения ВТСП кабеля на 13 кВ в распределительной сети низкого напряжения.
Power Plant – электростанция,
Area Substation – подстанция,
Compact Networks – группа потребителей на общем фидере.

Размещение ВТСП кабеля в сети Нью-Йорка планируется осуществить за три года двумя этапами. Первый, уже начатый этап, состоит в подготовке прототипов систем. К 2008 г. намечено завершение испытаний первой системы Secure Super Grid.
Второй этап сфокусирован на размещении этой системы на участке энергосети Con Edison в Нью-Йорке. В рамках проекта к 2010 г. фирмой Southwire Company (США) (по контракту с AMSC) будет изготовлен триаксиальный «Triax™» кабель из ВТСП провода 2-го поколения «344» на 13 кВ (рис. 2).

AMSC предлагает новую СП технологию «Secure Super Grids™» для энергосистем большой мощности с защитой от перенапряжения, обеспечивающую безопасное и эффективное снабжение электроэнергией предприятий города.

Почему ВТСП кабели могут помочь при решении проблем с постоянно увеличивающейся потребностью мегаполисов в электроэнергии? Во-первых, кабели из ВТСП могут передавать в 10 раз большую мощность по сравнению с традиционными медными кабелями при аналогичном сечении кабельного канала (рис. 2). Во-вторых, замена медных кабелей, используя уже имеющиеся в грунте коммуникации, позволит обеспечить недостающие мощности без дополнительного проведения дорогостоящих земляных работ. Кроме того, при необходимости новых распределительных или подводящих электроэнергию сетей объем прокладочных работ также существенно меньше, чем в случае традиционных медных кабелей.

Рис.2 Сравнение 3х3 сборки кабельного блока подземной распределительной сети из медного кабеля с одноканальным кабельным блоком ВТСП кабеля на 13 кВ при одинаковой передаваемой мощности в 69 МВА. Справа схема триаксиального кабеля совместного предприятия Southwire and NKT - ULTERA

В триаксиальном кабеле, как видно на рис 5, все три фазы расположены концентрически вокруг центрального стержня. Такая компактная конструкция позволяет вдвое сократить расход ВТСП провода и уменьшить охлаждаемую поверхность, таким образом, снизив требования к системе охлаждения. Эти особенности конструкции способствуют снижению стоимости СП кабеля.

К настоящему времени много компаний, в том числе и AMSC, занимаются разработкой и испытанием СП токоограничителей. «Secure Super Grids™» технология может соединить свойства ВТСП кабеля высокой мощности и ВТСП токоограничителей в одной системе. Токоограничение может быть достигнуто в кабеле из ВТСП 2-го поколения за счет сравнительного высокого удельного сопротивления исходных сверхпроводящих лент, появляющегося при перегрузке током. По расчетам AMSC, рынок новой технологии и токоограничителей в виде самостоятельных устройств превысит миллиард долларов в год.

Исполнительный директор компании Грегори Юрик (Greg Yurek) предполагает, что новое направление послужит катализатором ускоренного внедрения ВТСП технологий в энергетические системы. Он считает «Проект Гидра» удачным соединением трёх идей: концепции Министерства национальной безопасности – вложение средств в инновационные энергетические технологии для повышения уровня безопасности энергосетей; концепции Con Edison – внедрение СП технологии в свой энергетический план «System of the Future» для Нью-Йорка; концепции AMSC – коммерциализация СП технологии для нужд электроэнергетики.

“Проект Гидра” имеет мощный фундамент 20-летних разработок ВТСП технологий в США, финансируемых Министерством энергетики и частными компаниями, уже функционируют ВТСП кабели в трех энергетических системах США.

Генерация энергии

Еще одно возможное применение сверхпроводников – в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

В 2005 году концерн Siemens заявил о создании первого мощного генератора с использованием высокотемпературной сверхпроводимости (HTS генератор). Мощность генератора составила 4000 кВА. Компания заявила о том, что готова продавать генераторы данного типа. Их стоимость высока, но расчеты показали, что их выгодно применять, прежде всего, в условиях ограниченного пространства, к примеру, на кораблях. Преимущества сверхпроводящего генератора очевидны: его вес и геометрические размеры в два раза меньше аналогичного по мощности обычного генератора. Кроме того, HTS генератор показал большую устойчивость по напряжению при изменении нагрузки и более высокие характеристики с точки зрения потребления реактивной мощности.

Сверхпроводниковые устройства в коммерческом и военном флоте

Сверхпроводниковые технологии чрезвычайно привлекательны для применения на флоте как гражданском, так и военном. Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже, что важно не только для военных применений, но и для круизных лайнеров и рыболовецких судов. Низкая шумность силовых установок круизных лайнеров способна гарантировать комфорт и тишину во всех пассажирских помещениях при возросшей скорости и вместимости лайнера.

Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает к.п.д. силовой установки. Следует помнить также и об отсутствии омических потерь в сверхпроводниках, даже с учетом потребляемой криогенным обеспечением мощности к.п.д. ВТСП электродвигателей выше, чем у традиционных.

Однако основной выигрыш от сверхпроводниковых технологий на флоте заключается в невиданной ранее свободе конструирования судна: дизеля (или турбины), работающие на компактные ВТСП генераторы, могут быть размещены без жесткой привязки к гребному валу. Вынос ВТСП гребных электродвигателей в гондолы за пределы корпуса судна не только высвобождает массу места в кормовой оконечности, но и позволяет радикально улучшить гидродинамику. Если же гондолы с гребными электродвигателями сделать поворотными, то можно резко улучшить маневренность судна, не прибегая к установке дополнительных боковых подруливающих устройств.

Хотя в 70-80 гг. прошлого века и было несколько проектов сверхпроводниковых судовых электродвигателей, они не были осуществлены, так как их реализация на низкотемпературных сверхпроводниках требовала сложного и ненадежного криогенного обеспечения. С появлением коммерчески доступных Bi-2223 ВТСП проводников в мире началось сразу несколько проектов по созданию двигателей, генераторов и синхронных компенсаторов для использования на флоте.

Мощность электрических машин на основе Bi-2223 проводников, работающих при 77 К пока не превышает 100 кВт, а массо-габаритные показатели лишь незначительно лучше, чем у обычных электрических машин. С появлением ВТСП проводников 2-го поколения, для которых зависимость критического тока от магнитного поля значительно слабее, чем у Bi-2223 проводников, стало возможно создание по настоящему эффективных ВТСП электрических машин, работающих при температуре жидкого азота. Пока электрические машины на основе ВТСП проводников 2-го поколения представлены лишь несколькими мало-мощными макетными образцами.

Ниже подробно описано несколько различных проектов синхронных электрических машин для флота.

American Superconductor и Northrop Grumman

28 марта 2007 года American Superconductor (AMSC) и Northrop Grumman (NOC) объявили об успешном завершении испытаний крупнейшего в мире ВТСП судового электродвигателя мощностью 36.5 МВт (рис. 1). В проекте также участвовали Ranor Inc, и Electric Machinery Company. Масса электродвигателя составляет 75 т, что в три раза меньше чем для двигателя традиционного исполнения. Сразу по завершению испытаний электродвигатель передали ВМФ США, впоследствии предполагается установить электродвигатель на новейший эсминец класса DDG-1000.

В силу военной направленности проекта доступно крайне мало технических деталей устройства. Можно лишь с уверенностью сказать, что мотор изготовлен из Bi-2223 производства American Superconductor и работает при температуре около 30 К. Известно, что весь проект обошелся примерно в 90 млн. долл.

Doosan Heavy Industries

В рамках корейской программы по разработке сверхпроводниковых технологий для электроэнергетики (DAPAS) запланировано создание ВТСП электродвигателей мощностью 70 кВт, 1 МВт и 5 МВт. Синхронные электродвигатели на 100 л.с. (74 кВт; 1800 об/мин.) и 1300 л.с. (957 кВт; 3600 об/мин.) были изготовлены в 2004 и 2007 годах. ВТСП обмотки изготовлены из Bi-2223 ленты производства American Superconductor. Рабочая температура обмоток у обоих моторов 30 К, с охлаждением от криокулеров.

Siemens

Работы над ВТСП электродвигатели начались в Siemens еще в 1999 г. Помимо Siemens в проекте участвуют компании: TransMIT Gesellschaft fur Technologietransfer mbH, ThyssenKrupp Marine Sys-tems AG и Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH, финансовую поддержку оказывает Министерство по экономике и технологиям Германии. В 2005 г был успешно испытан ВТСП синхронный электродвигатель мощностью 400 кВт, сейчас проходит испытания ВТСП синхронного мотора-генератора на 4 МВт (рис. 2).

ВТСП электрические машины отличаются недостижимой для традиционных устройств перегрузочной способностью до 700% по крутящему моменту в кратковременном режиме и 150% в течение 15 минут по мощности. ВТСП обмотки обоих устройств охлаждаются криокулерами через теплообменный газ до температуры 25 К. Основные параметры электрических машин Siemens и Doosan приведены в таблице.

Железные дороги

Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большую скорость. 

Лидером в области применения сверхпроводимости на железной дороге является Япония. В Японии разработки данного направления ведутся уже около 20 лет, за это время выпущено около 10 модификаций поездов.

3. Последние достижение науки в области сверхпроводимости

Глобальная цель исследователей природы сверхпроводимости на сегодняшний день – открыть такой материал, который сохранял бы свои сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Такой материал мог бы избавить всю технику, использующую явление сверхпроводимости от ее главного недостатка – необходимости постоянного охлаждения проводника с помощью громоздких и дорогих криогенных установок на жидком азоте. 

Наука достигла значительных успехов в исследовании высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa2Cu3Ox, получены вещества, для которых температура Тc перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

По своему поведению в магнитных полях сверхпроводники разделяются на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода обнаруживают идеальные сверхпроводниковые свойства. В присутствии магнитного поля в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи, которые полностью компенсируют внешнее поле в толще образца. Если сверхпроводник имеет форму длинного цилиндра и находится в поле, параллельном его оси, то глубина проникновения может быть порядка 3Ч10-6 см. При достижении критического поля сверхпроводимость исчезает и поле полностью проникает внутрь материала. Критические поля для сверхпроводников 1-го рода лежат обычно в пределах от 100 до 800 Гс. Хотя у сверхпроводников 1-го рода малая глубина проникновения, они имеют большую длину когерентности – порядка 10-4см.

Сверхпроводники 2 рода характеризуются большой глубиной проникновения (около 2Ч10-5 см) и малой длиной когерентности (5Ч10-7 см). В присутствии слабого магнитного поля (меньше 500 Гс) весь магнитный поток выталкивается из сверхпроводника 2 рода. Но выше Нc1 – первого критического поля – магнитный поток проникает в образец, хотя и в меньшей степени, чем в нормальном состоянии. Это частичное проникновение сохраняется до второго критического поля – Нc2, которое может превышать 100 кГс. При полях, больших Нc2, поток проникает полностью, и вещество становится нормальным.

Усилия ученых мира сосредоточены в основном на исследованиях сверхпроводников 2 рода, так как их природа изучена гораздо хуже и именно их применение обещает наибольшие выгоды.

4. История сверхпроводимости

-    В 1908 году Г. Камерлинг-Оннес из Лейденского университета (Нидерланды) получив жидкий гелий, стал измерять сопротивление чистой ртути, погруженной в жидкий гелий, и обнаружил (1911), что при температурах жидкого гелия сопротивление ртути падает до нуля. Позднее было установлено, что многие другие металлы и сплавы тоже становятся сверхпроводящими при низких температурах.

Хейке Камерлинг-Оннес (нидерл. Heike Kamerlingh Onnes; 21 сентября 1853, Гронинген - 21 февраля 1926, Лейден) — нидерландский физик и химик.

Окончил Гронингенский университет. Обучался у Кирхгофа в Гейдельберге. С 1882 года профессор Лейденского университета. С 1894 основатель и директор Лейденской криогенной лаборатории.

Известен своими экспериментальными работами в области физики низких температур и сверхпроводимости. Разработал и сконструировал ожижительную установку. В 1906 году получил жидкий водород. В 1908 году впервые сумел получить жидкий гелий и сумел достичь рекордно низкой на тот момент температуры 0.9 K, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1913 году. В 1911 году впервые наблюдал резкое падение электрического сопротивления ртути при температуре ниже 4.1 K. Это явление получило название сверхпроводимости. В 1913 году обнаружил разрушение сверхпроводимости сильными магнитными полями и токами.

-    В 1933 году немецкий физик В. Мейсснер и его сотрудник Р. Оксенфельд обнаружили, что если цилиндрический образец поместить в продольное магнитное поле и охладить ниже температуры перехода, то он полностью выталкивает из себя магнитный поток. Эффект Мейсснера (эффект левитации), как назвали это явление, был важным открытием, поскольку благодаря ему физикам стало ясно, что сверхпроводимость – квантово-механическое явление. Если бы сверхпроводимость заключалась только в исчезновении электрического сопротивления, то ее можно было пытаться объяснить законами классической физики.


Walter Meissner

Демонстрация эффекта левитации

Магнит парящий над высокотемпературным сверхпроводником (Гроб Мухаммеда)

Магнит, поднимающийся выше высокотемпературного сверхпроводника, охлажденного с жидким азотом. Постоянный электрический ток течет на поверхности сверхпроводника, действуя так, чтобы исключить магнитное поле магнита (эффект Meissner). Этот поток эффективно формирует электромагнит, который отражает магнит.



Магнитный поток проникает в стержень, находящийся в нормальном состоянии (а), но выталкивается из стержня, охлажденного до сверхпроводящего состояния (б).

-    Постепенно открывались металлы и сплавы с все более высокой температурой перехода. В 1941 году охлажденный азотом ниобий показал температуру перехода при 16 K. В 1953 сплав кремния и ванадия показал суперпроводящие свойства в 17.5 K.

-    В 1957 году трое американских ученых (John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer) опубликовали первую полноценную, принятую научным сообществом теорию сверхпроводимости, известную как «BCS theory».

Теория была удостоена Нобелевской премии в 1972 году. Теория объяснила сверхпроводимость при температурах близких к абсолютному нолю для металлов и простых сплавов, однако перестала быть адекватной после открытия высокотемпературной сверхпроводимости.

-    Коммерческое использование явления сверхпроводимости началось в 1962 году, когда ученые фирмы Westinghouse разработали первый коммерческий сверхпроводящий кабель, жилы которого были сделаны из сплава ниобия и титана (NbTi). В это же время начались разработки сверхпроводящих магнитов с небывалой до того времени напряженностью полей.

-    В 1962 году Брайен Д. Джозефсон, аспирант университета Кембридж, выдвинул теорию, что электрический ток будет течь между двумя сверхпроводящими материалами, даже когда они разделены не сверхпроводником или изолятором. Теория  была позже подтверждена и получила в 1973 году Нобелевскую премию. Это явление сегодня известно как "Эффект Джозефсона" и применяется в электронных устройствах типа SQUID, позволяющих обнаруживать даже самые слабые магнитные поля.  

-    1980-ые стали временем сенсационных открытий в области сверхпроводимости.

Еще в 1964 Билл Литл из Стэнфордского университета выдвинул предположение о возможности создания органических сверхпроводников (на основе углерода). Такой сверхпроводник был синтезирован в 1980 году датским исследователем Клаус Бечгаардом из университета Копенгагена. Формула сверхпроводника - (TMTSF)2PF6. Сверхпроводимость была достигнута при температуре 1,2 K и очень высоком давлении

-    Настоящая революция в области изучения сверхпроводников произошла в 1986 году, когда была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Ее отцами стали Алекс Мюллер и Георг Беднорц – сотрудники исследовательского центра IBM в Швейцарии. Сенсация была двойной, поскольку, во-первых, была доказана возможность сверхпроводимости при температуре около 30 К, а во-вторых, сверхпроводящие свойства при такой температуре продемонстрировала керамика, которая в обычных условиях используется как изолятор!!! После этого открытия исследователи во всем мире стали  заниматься синтезом керамических материалов в самых невообразимых комбинациях в поисках композиции с наивысшей температурой перехода.

-    В январе 1987 года в университете штата Алабама команда ученых достигла невероятных 92 градусов К, заменив в формуле, открытой Мюллером и Беднорцом, только один элемент (Иттербий) на другой – Лантан.

-    Самая высокая температура перехода вещества в сверхпроводящее состояние была достигнута в 1993 году и составила 138 градусов К. Это вещество относится к керамическим сверхпроводникам и представляет собой сложное соединение с добавлением таллия, ртути, бария, кальция, меди. При большом давлении (около 300 000 атм.) температура перехода открытого соединения еще на 25-30 градусов выше.  

5. Объяснение сверхпроводимости

Квантово-механическая теория явления сверхпроводимости рассматривает его как сверхтекучесть электронов в металле с присущим сверхтекучести отсутствием трения. Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно — без «трения» о неоднородности кристаллической решетки. Основная особенность сверхпроводников заключается в том, что в них возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар (так называемые куперовские пары). Причиной этого притяжения является дополнительное к кулоновскому отталкиванию взаимодействие между электронами, осуществляемое под воздействием кристаллической решетки и приводящее к притяжению электронов.

В квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами) связывается с возникновением элементарных возбуждений кристаллической решётки. Электрон, движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решётки, переводит ее в возбужденное состояние. При переходе решётки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты — фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причём притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.

Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов. Оценка показывает, что электроны, образующие пару, находятся друг от друга на расстояниях порядка ста периодов кристаллической решётки. Вся электронная система сверхпроводника представляет собой сплочённое образование, простирающееся на громадные по атомным масштабам расстояния.

Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением, образующим пары, то вещество (металл или сплав) сохраняет обычные свойства. Если же при температуре Тc сил притяжения преобладают над силами отталкивания, то вещество переходит в сверхпроводящее состояние.

Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями, меньшими чем энергия связи пары электронов. Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решётки не изменяется энергия электронов и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления.

Для того чтобы разрушить состояние сверхпроводимости, необходима затрата определенной энергии. При температуре Т = Тc происходит нарушение связанных состояний электронных пар, прекращается притяжение между электронами и явление сверхпроводимости перестаёт существовать.

Статья подготовлена по материалам:
1.    информационного бюллетеня «Сверхпроводники для электроэнергетики»;
2.    журнала ScienceDaily;
3.    журнала The Scientist;
4.    журнала NewScientist;
5.    сайта www.effect-josefson.com.ru;
6.    европейского консорциума CONECTUS.