Сверхпроводники

Сверхпроводники

Новый безмедный сверхпроводник K-Bi-O

Хорошо известно семейство сверхпроводящих соединений BaBi(Pb)O3. Все эти

сверхпроводники являются "четверными": Ba-Pb-Bi-O или Ba-K-Bi-O. В Японии

(ISTEC, Токио) путем синтеза при высоком давлении впервые получили тройной

сверхпроводник K1-xBi1+xO3 [N.R.Khasanova et al., Physica C 305 (1998)

275]. Величина Tc составляет около 10К при 0? x? 0.1 и почти не зависит от

x в этом диапазоне, а увеличение x>0.1 ведет к потере сверхпроводимости. По

данным рентгеновской и электронной дифракции кристаллическая структура

представляет собой кубический перовскит.

Ревизия симметрии параметра порядка в "электронных" ВТСП

Большинство (хотя и не все) экспериментальных данных говорит о том, что в

ВТСП с дырочным типом проводимости параметр сверхпроводящего порядка D

имеет d-волновую симметрию. Таких ВТСП подавляющее большинство (YBa2Cu3O7,

La2-xSrxCuO4, Bi2Sr2CaCu2O8 и т.д.). Что касается немногочисленных

известных на сегодня ВТСП с электронным типом проводимости, наиболее

изученным из которых является Nd2-xCexCuO4, то долгое время считалось, что

в них D имеет s-волновую симметрию.

Группа японских физиков из Nagoya University, Tohoku University и Japan

Science and Technology Corporation выполнила исследования квазичастичных

спектров возбуждений в монокристаллах

Nd2-xCexCuO4 методом STM/STS [1]. Полученные результаты показали, что D не

только анизотропен в импульсном пространстве, но и имеет

d-волновую симметрию. Авторы [1] обсуждают, тип этой симметрии – dxy-волна

или dx2-y2-волна – и склоняются в пользу последней.

[1] F.Hayashi et al., J. Phys. Soc. Jap., 1998, 67, p.3234

Сверхпроводимость Tl1.8Ba2.0Ca2.6Cu3.0O10+d в морозную погоду при высоком

давлении

Известно, что критическая температура Tc большинства ВТСП увеличивается под

давлением, достигая рекордной величины Tc» 160К в HgBa2Ca2Cu3Ox при P»

30ГПа. Недавно появилось сообщение [1] об аномальном росте Tc

поликристаллических образцов ВТСП Tl1.8Ba2.0Ca2.6Cu3.0O10+d при P» 5ГПа.

Авторы [1] обнаружили, что Tc быстро увеличивается с ростом P от своего

начального значения Tc=129К при P=0 и достигает величины Tc=255К (обычная

для русской зимы температура!) при P=4.3ГПа. Вот только Tc, измеренная в

[1], к сожалению, представляет собой не температуру нулевого сопротивления,

а лишь температуру начала уменьшения (хотя и очень резкого) R(T) при

охлаждении образца. Заметим, что статья [1] представляет собой своеобразный

"интернациональный винегрет": она написана китайскими физиками на

английском языке и опубликована в украинском журнале.

[1] C.Y.Han et al., ФНТ, 1998, 24, p.305

Завершена сборка магнитной системы RHIC (Brookhaven)

1800 сверхпроводящих магнитов установлены и частично испытаны в единой

магнитной системе коллайдера тяжелых релятивистских ионов (RHIC). На их

изготовление потребовались 21млн. метров сверхпроводящего проводника и 900

тысяч часов рабочего времени. Планируется, что первый испытательный “пуск”

пучка ионов будет произведен в марте 1999 года, а в июле ожидаются

эксперименты по первому столкновению пучков. Поставщиком первичного пучка

ионов для RHIC станет старейший брукхэвенский синхротрон (AGS), построенный

еще в 1960 году.

CERN Courier, December 1998

Сверхпроводящий фильтр

Ученые International Superconductivity Technology Center (Tokyo) совместно

с NEC Corp. (Tokyo) разработали ВТСП фильтр для использования в спутниковых

системах связи и на базовых станциях сотовых телефонов. В процессе

разработки преодолена проблема, стоявшая перед такими фильтрами. Прежние

конструкции ВТСП фильтров не совместимы с высокими уровнями мощности,

характерными для систем космической связи. ВТСП фильтр, анонсированный ф.

NEC, выдерживает в 10 раз более высокие уровни мощности в сравнении с

другими ВТСП фильтрами.

Контакт:

G. Pindoria, e-mail: Ошибка! Закладка не определена.

Гигантский изотоп-эффект в сверхпроводнике La2-xSrxCuO4

Лантановая керамика уже принесла Alex’у Muller’у нобелевскую премию. И вот

– новый подарок. Muller с соавторами обнаружил в сверхпроводнике La2-

xSrxCuO4 гигантский изотоп-эффект.

Две группы экспериментаторов, возглавляемые A.Bianconi (Римский

университет) и K.A.Muller’ом (Цюрихский университет) исследовали структуру

спектральных линий в La1.94Sr0.06CuO4 вблизи края рентгеновского поглощения

(методом XANES, чувствительным к локальным искажениям кислородного

окружения атомов меди). Эксперименты проводились на источнике

синхротронного излучения в Гренобле.

Вид спектра определяется статистическим распределением “мгновенных

фотографий” кристаллической решетки (с характерным временем 10-15с) на

масштабах порядка 5A. В эксперименте для образца La2-xSrxCuO4 ниже

некоторой температуры Т* форма спектральных линий резко изменялась, что

авторы связывают с замораживанием флуктуаций и возникновением поляронного

упорядочения типа полос (lattice-charge stripes). При замене 16O на 18O

температура Т* возрастает со 110К до 170К. При этом изотоп-эффект для

температуры сверхпроводящего перехода Тс гораздо меньше и другого знака:

для образца с 16O Тс» 8К, а у образца с 18O Тс примерно на 1К ниже. Столь

огромный изотопический сдвиг температуры Т* авторы объясняют важной ролью

поляронных эффектов в образовании полос. Такая интерпретация накладывает

определенные ограничения на возможные микроскопические механизмы,

ответственные за возникновение, как полосчатой структуры, так и

сверхпроводящего состояния.

Ошибка! Закладка не определена., версия от 5.01.99

Верхнее критическое поле борокарбида YNi2B2C

Измерения верхнего критического поля Hc2 в сверхпроводниках осложняются

наличием “паразитного” парамагнитного сигнала, обусловленного

несовершенством образца (наличием областей нормальной фазы). Поэтому в ходе

экспериментов по определению Hc2(T) в борокарбиде YNi2B2C группа

американских и южнокорейских физиков уделила особое внимание качеству

исследованных ими монокристаллов [M.-O.Mun et al., Physica C 303 (1998)

57]. Им удалось понизить парамагнитный сигнал до уровня 10% от минимального

приводимого в литературе и получить таким образом более достоверные

значения Hc2. Оказалось, что во всем изученном диапазоне температур 9K < T

< Tc » 15K (0 < Hc2 < 3Тл) зависимость Hc2(T) имеет положительную кривизну.

Иными словами, скорость роста Hc2 при понижении температуры увеличивается,

а признаки выхода Hc2 на константу при T ® 0 отсутствуют. Интересно, что

точно такой же вид кривая Hc2(T) имеет и в “overdoped” ВТСП. Это

“совпадение” может быть следствием сходства механизмов сверхпроводимости

борокарбидов и ВТСП.

Легированная Си-О плоскость: еще одна попытка описать основное состояние

Проблема основного состояния слаболегированных 2D купратов до сих пор

активно дискутируется при множестве разноречивых экспериментальных

результатов и теоретических моделей. Картину усложняют два обстоятельства

(к слову, они же обуславливают разнородность экспериментальных данных):

наличие дальнего и/или ближнего магнитного порядка и

существенно различная подвижность дырок при легировании исходной

диэлектрической матрицы различными типами допантов.

Так, например, модельное соединение La2CuO4 можно легировать тремя

принципиально разными способами: примесью замещения в позицию La (1) или Cu

(2) а также примесью внедрения в виде сверхстехиометрического кислорода

(3). В последнем случае из-за большой подвижности кислорода система

демонстрирует макроскопическое фазовое расслоение на дырочно-богатую и

дырочно-бедную фазы, размеры которых могут достигать масштаба нескольких

микрон. При всем многообразии ВТСП систем, система La2CuO4+х –

единственная, где явление фазового расслоения происходит на

макроскопических масштабах. Именно это явление легло в основу представления

о легированной Сu-О плоскости, как о нестабильной относительно фазового

расслоения. При этом следует иметь в виду, что в случае “тяжелых” примесей

(Sr вместо La и Li вместо Cu) система может расслаиваться только на

микроуровне. В первом приближении размеры возникающих “фаз” определяются

выигрышем в магнитной энергии и проигрышем в кинетической.

Какая форма зарядовых флуктуаций будет реализовываться на практике, опять

же зависит от типа конкретной системы. Например, магнитная восприимчивость

La(Sr)CuO4 системы трактовалась [1] как система антифазных доменов, где

носители тока сконцентрированы на границах доменных стенок. Система

La2CuO4+x с низкой подвижностью кислорода и, как следствие, с отсутствием

макроскопического расслоения не укладывается в модель с дырочно-богатыми

доменными стенками, а более адекватно описывается в модели дырочно-богатых

капель с размерами, зависящими от подвижности кислорода [2]. Кроме этого,

значительный блок работ (в основном по упругому рассеянию нейтронов) теперь

уже на кристаллах с большой подвижностью избыточного кислорода посвящен

обнаружению и исследованию кислородной сверхструктуры и структурам,

связанным с кислородным упорядочением (stripes, stagers etc.).

Наконец, недавно появилась еще одна работа, касающаяся вопроса о том, как

же выглядит допированная Сu-О плоскость с точки зрения распределения в ней

избыточного заряда. Изучалась система La2Cu(Li)O4. Известно, что замещение

меди литием дает самую низкую подвижность дырок в La2CuO4 (сопротивление

dR/dTС тех пор не удается ни надежно подтвердить этот эффект, ни надежно его

закрыть. Было проведено множество экспериментов, которые давали попеременно

то положительный, то отрицательный результат. NASA выделила большие деньги

на проведение эксперимента и для консультаций пригласила самого автора, но

итог пока отрицательный. Главная сложность состоит в том, что изменение

веса настолько мало, что трудно избежать посторонних воздействий. Кроме

того, сам Подклетнов упирает на особую структуру полученного материала,

которую трудно воспроизвести.

Как бы то ни было, большинство физиков скептически восприняло результаты

Подклетнова, основываясь на положениях общей теории относительности,

согласно которой гравитация вообще не сила, а искривление 4-х мерного

пространства-времени, что является следствием совпадения гравитационного

заряда с инерционной массой.

Но самое поразительное в этой истории то, что еще до опыта Подклетнова Li и

Torr опубликовали две работы, в которых предсказывали генерацию гравитации

при вращении сверхпроводящего диска в переменном магнитном поле.

За дальнейшим развитием событий можно проследить на странице в Интернете:

Ошибка! Закладка не определена.

Превращение тепловой энергии в электрическую в неоднородном сверхпроводящем

кольце

Хотелось бы обратить внимание читателей ПерсТ'а на интересный результат

работы [1], в которой рассматривается эффект Литтла-Паркса в неоднородном

сверхпроводящем кольце. Еще в 1962 году Литтл и Паркс [2] обнаружили, что

температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в

сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока)

зависит от величины магнитного потока. Этот эффект был объяснен М.Тинкхамом

[3], как одно из проявлений макроскопической квантовой природы

сверхпроводимости (см. также [4]). Периодическое смещение критической

температуры связано с квантованием скорости сверхпроводящих электронов,

аналогично тому, как это имеет место в атоме. Скорость стремится приобрести

минимально возможное значение. При потоке внутри цилиндра, кратном кванту

потока, минимально возможное значение скорости равно нулю. Но при потоке,

не кратном кванту, скорость не может быть равна нулю. Это приводит к

зависимости энергии сверхпроводящего состояния от потока и, как следствие,

к периодическому смещению критической температуры в магнитном поле. Это

смещение имеет заметную величину в кольце (цилиндре), радиус которого

сравним с корреляционной длиной [4].

М.Тинкхам [3] рассматривал однородное кольцо. В случае неоднородного

кольца, один участок которого имеет пониженную критическую температуру в

сравнении с другим [1], вследствие термодинамических флуктуаций на участке

с меньшим Тс при температурах, соответствующих резистивному переходу этого

участка, появляется напряжение, величина которого периодически зависит от

величины потока внутри кольца, с периодом, равным кванту потока. При

переходе в сверхпроводящее состояние участка с наименьшей Тс в кольце

возникает ток фиксированного направления, а при обратном переходе в

нормальное состояние на рассматриваемом участке появляется напряжение, так

как вследствие конечной индуктивности кольца ток не может затухнуть

мгновенно. При периодическом или хаотическом переводе участка с наименьшим

Тс из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно на нем возникнет

напряжение с постоянной составляющей, зависящей периодически от величины

магнитного потока внутри кольца. Итак, сверхпроводящее кольцо является

тепловой машиной, в которой тепловая энергия может быть преобразована в

электрическую энергию постоянного тока. Без учета флуктуаций максимальный

коэффициент полезного действия тепловой машины, реализуемый в цикле Карно,

пропорционален амплитуде изменения температуры [5].

Однако переход из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно может

происходить и без изменения температуры вследствие флуктуаций, если

разность энергий рассматриваемого участка в нормальном и сверхпроводящем

состояниях не превышает kBT. Это возможно вблизи критической температуры,

так как при Т=Тс эта разность равна нулю. Следовательно, постоянное

напряжение может возникать в неоднородном сверхпроводящем кольце и при

постоянной температуре, близкой к критической. Авторы дают подробное

объяснение необычному явлению.

A.V.Nikulov and I.N.Zhilyaev, "The Little-Parks Effect in an

Inhomogeneous Superconducting Ring." J. of Low Temp.Phys.

1998,112(3/4), p.227-236

W.A.Little and R.D.Parks, Phys.Rev.Lett.,1962, 9, p.9

M.Tinkham, Phys.Rev. 1963,129, p.2413

М.Тинкхам, Введение в сверхпроводимость. Атомиздат М.1980

Ч.Киттель, Статистическая термодинамика. "Наука", М., 1977

Резкий рост критической температуры "нового" ВТСП PrBa2Cu3Ox под давлением

В течение очень длительного времени после открытия ВТСП в 1986 году

господствовало мнение, что соединение PrBa2Cu3Ox является

"несверхпроводящим исключением" из ВТСП-серии ReBa2Cu3Ox (Re -

редкоземельный элемент). Какие только версии не выдвигались для объяснения

этого "факта": разрыв куперовских пар магнитными моментами атомов

празеодима, уменьшение концентрации носителей заряда или их локализация и

т.д. Эти споры закончились в 1996 году после открытия сверхпроводимости в

тонких пленках PrBa2Cu3Ox [1] и его последующего подтверждения другими

авторами [2]. Сверхпроводимость наблюдалась также и в монокристаллах

PrBa2Cu3Ox [3]. Причина того, почему один из двух (одинаковых на первый

взгляд) образцов PrBa2Cu3Ox является полупроводником, а другой -

сверхпроводником, пока однозначно не установлена, хотя и выяснено, что их

структуры несколько различаются (но весьма незначительно).

В этом году PrBa2Cu3Ox преподнес очередной сюрприз. Японские физики из

National Research Institute for Metals, Electrotechnical Laboratory и

Ibaraki University исследовали влияние высокого давления P на Tc

монокристалла PrBa2Cu3Ox с различным содержанием кислорода [4,5]. Величина

Tc определялась по нулю электросопротивления и при P=0 составляла 56.5 и

81К для x = 6.6 и 6.8 соответственно. Увеличение P привело к резкому росту

Tc образца с x = 6.6. На начальном этапе скорость роста Tc составляла

dTc/dP = 7.4К/ГПа. При P = 9.3ГПа (максимальное давление в этом

эксперименте) величина Tc возросла до 105К, причем производная dTc/dP при

таких высоких давлениях хоть и уменьшилась, но осталась положительной, то

есть максимум Tc еще не был достигнут. Этот результат резко контрастирует с

данными для ВТСП YBa2Cu3Ox, у которого при x = (6.8 ? 7) величина Tc почти

не зависит от P и остается на уровне около 90К вплоть до P = 10ГПа. По

мнению авторов [4,5] причина разного отклика PrBa2Cu3Ox и YBa2Cu3Ox на

высокое давление кроется в различном характере распределения носителей

заряда между структурными единицами элементарной ячейки и, соответственно с

его различным перераспределением под давлением. Интересно, что Tc

монокристалла PrBa2Cu3Ox с x = 6.8 увеличивается под давлением не так

быстро, как при x = 6.6, хотя и превышает 100К при P = 10ГПа.

H.A.Blackstead et al., Phys. Rev. B 54, 6122 (1996)

T.Usagawa et al., Jpn. J. Appl.Phys. (Part 2) 36, L1583 (1997)

Z.Zou et al., Jpn. J. Appl.Phys. (Part 2) 36, L18 (1997)

Z.Zou et al., Phys. Rev. Lett. 80, 1074 (1998)

J.Ye et al., Phys. Rev. B 58, 619 (1998)

Круглов нашел заменитель золота

Оговоримся, что в данном случае речь идет только о ВТСП токовводах.

Металлическая оболочка для ВТСП токовводов является предметом озабоченности

и технологов, и конструкторов. На сегодня ее оптимальный состав состоит из

серебра с 10%(!) золота. Дорого. А новую более дешевую оболочку ждут 1кА

токовводы, разработанные тандемом Кейлин-Шиков (см. ПерсТ, выпуск 7

текущего года). Поиском “заменителя золота” упорно занимались В.С.Круглов

(ИСФТТ РНЦ КИ) и И.И.Акимов (ВНИИНМ). И, как видно из представленной ниже

таблицы, их поиск завершился успехом. Даже 1% найденного заменителя

достаточно, чтобы составить здоровую конкуренцию золотосодержащим сплавам.

|Материал |r |r |

| |300 |300 |

| |/r |/r |

| |77 |4.2 |

|Ag |6.0 |102-|

| | |103 |

|Ag+1% Au |2.9 |4.9 |

|Ag+10% Au |1.4 |2.0 |

|Ag+1%X (без |1.1 |1.67|

|термообработки) | | |

|Ag+1%X (600оС, 0.5|2.1 |7.1 |

|час.) | | |

Известно, что токовводы – одно из (очень!) немногочисленных рыночных

ресурсосберегающих ВТСП изделий. По оценкам, применение ВТСП токоввода

увеличивает на 70% ресурс холодильного устройства. В конструкциях

токовводов из нормального металла существует два механизма теплопритока в

холодильник – джоулево тепло (особенно в длинных и тонких конструкциях) и

теплопроводность (особенно в толстых и коротких конструкциях). ВТСП

токоввод исключает часть теплопритока, обусловленную джоулевым теплом (во

всяком случае, в наиболее критической низкотемпературной части токоввода).

Этот факт сильно развязывает руки конструктору, допуская длинные и тонкие

конструкции. Однако, все ВТСП составы - очень хрупкие, для придания

прочности и гибкости их необходимо заключать в соответствующую оболочку.

Известна также привязанность ВТСП составов к хорошо теплопроводящему

серебру или сплавам на его основе. В частности, для оболочки токовводов,

как правило, используются сплавы Ag+N%Au. Поиски заменителя серебра пока не

найдены, но вот для золота, похоже, нашли. Из предложенного В.С.Кругловым и

И.И.Акимовым сплава Ag+1%X уже изготовлена стандартная трубка, которая

будет служить оболочкой для получения протяженного куска ВТСП ленты.

Подождем дальнейших результатов.

Продвижение накопителей в энергосистему штата Каролина

Недавно подписано соглашение между American Superconductor Corp. (ASC) и

Carolina Power & Light (CP&L) о поиске решений, основанных на использовании

сверхпроводниковых магнитных накопителей электроэнергии (SMES’ов) для

промышленных линий электропередач. Неблагоприятные погодные условия,

инциденты на транспорте и непредсказуемый выход из строя оборудования может

приводить к перерывам в подаче электроэнергии или к скачкам напряжения в

сети. Согласно оценкам, такие выходы из строя в электросети обходятся

американской промышленности ежегодно в миллиарды долларов за счет

повреждения оборудования и прерывания непрерывных производственных циклов.

Ситуацию могут в корне изменить сверхпроводниковые накопители. Серию таких

накопителей (SMES’ов) на основе электромагнитов из низкотемпературных

сверхпроводников на разные диапазоны мощности выпускает ф. ASC. Ее

продукция размещается на портативном трейлере длиной около 12м.

Используемая мощная электроника “чувствует” мгновенное перераспределение

мощности в сети и в течение 2 сек переключает сеть на питание от

накопителя. После стабилизации электрической мощности в сети осуществляется

обратное переключение. В текущем году ф. ASC успешно внедрила в НТСП

накопители ВТСП токовводы, уменьшив ежегодные эксплуатационные расходы для

потребителя на 55%.

В рамках подписанного соглашения ф. CP&L, электросистемой которой

пользуются более 1млн жителей штата Каролина, берет на себя маркетинговые

услуги по продвижению накопителей, а

ф. ASC – поставку устройств, обучение персонала и техническую поддержку

эксплуатации накопителей.

Для более полной информации контакт:

Kathy Cadigan

Corporate Communications,

American Superconductor Corporation,

Two Technology Drive,

Westborough, MA 01581;

phone (508) 836-4200 ext. 222.

Споры о биполяронной сверхпроводимости в ВТСП

Электрон-фононное взаимодействие проявляет себя по-разному: от сравнительно

слабой перенормировки массы носителей заряда (в металлах) до формирования

почти локализованных квазичастиц (в ионных кристаллах и оксидах). Такие

квазичастицы называют поляронами малого радиуса. Концепция полярона

восходит еще к работам Ландау начала 30-х годов. Полярон образуется

вследствие сильного взаимодействия электрона с акустическим или локальным

фононом (то есть с искажением кристаллической решетки, локализованным на

расстоянии порядка размера одной элементарной ячейки).

Для того чтобы объяснить некоторые необычные свойства халькогенидов,

Ф.Андерсон в 1975 году ввел понятие биполярона малого радиуса [1]:

квазичастицы, представляющей собой два электрона, локализованных в

непосредственной близости друг от друга. Причиной образования биполярона

является (как и для полярона) сильное локальное искажение решетки

электронами. Значительный вклад в науку о биполяронах внес известный

французский физик Б.Чакраверти, который сначала в рамках биполяронной

Страницы: 1, 2