Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля
Поведение в магнитном поле сверхпроводников второго рода оказалось удивительным.
При увеличении внешнего магнитного поля, начиная с нулевого значения, магнитное поле первоначально не проникает в толщу образца.
Достигнув некоторого значения Нк1, называемого нижним критическим полем, сплав переходит в смешанное состояние. При этом магнитное поле проникает в сверхпроводник постепенно, в виде сгустков силовых линий, называемых абрикосовскими вихрями.
Внутри сгустка сверхпроводимость разрушается, но каждый сгусток окружен кольцевыми сверхпроводящими токами. Отсюда и название — вихри.
Эти вихри — квантовые. Магнитный поток, содержащийся в каждом вихре, строго равен одному кванту.
Итак, сверхпроводник оказывается пронизанным вихревыми нитями. Эти вихри, оси которых ориентированы в направлении силовых линий магнитного поля, образуют треугольную решетку. При этом в пространстве между вихрями вещество остается сверхпроводящим. Вместе с тем эффект Мейснера не проявляется. Магнитное поле в виде вихревых нитей проникает в толщу сверхпроводника.
При увеличении поля, начиная с нижнего критического поля, возрастает число вихревых нитей, и они сближаются. Соответственно увеличивается объем, занятый нормальными областями. Когда поле возрастает до величины Нк2, называемой верхним критическим полем, сверхпроводимость полностью разрушается. Вещество переходит в нормальное состояние.
Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, с полной достоверностью подтвердили теорию Абрикосова.
Наиболее простой эксперимент, демонстрирующий образование магнитных вихрей при переходе сверхпроводника в промежуточное состояние, заключается в том, что плоская поверхность испытываемого образца покрывается ферромагнитным порошком.
Силовые линии магнитного поля пронизывают вихревые участки и выходят из образца в хех точках поверхности, которые соответствуют положениям вихревых нитей. Ферромагнитный порошок притягивается полем и скапливается в окрестностях этих точек. При этом четко просматривается треугольная решетка вихревых линий.
Что же происходит, когда через образец, содержащий вихревую структуру, пропускается электрический ток?
Известно, что магнитное поле действует на движущиеся заряды (токи) с силой Лоренца. С такой же силой ток действует и на вихревые нити, которые приходят в движение.
Вихри Абрикосова в сверхпроводнике второго рода. Покрыв поверхность сверхпроводника ферромагнитным порошком, можно наблюдать периодическую треугольную решетку вихревых нитей. Частички, порошка собираются в тех местах, где выходят силовые линии.
При этом нормальная фаза (напомним, что в области вихрей вещество находится не в сверхпроводящем состоянии) движется сквозь сверхпроводящие области. Возникает потеря энергии. Критический ток в таких сверхпроводниках второго рода, начиная с нижнего критического поля, становится равен нулю.
Можно ли остановить движение вихревых нитей?
Оказывается, для этого сверхпроводящий образец должен, например, содержать неоднородности. Вихревые нити притягиваются к таким неоднородностям и задерживаются на них.
Явление получило название — пиннинг (от английского: pinning — закрепление).
Отдельные вихреватые нити, закрепляясь на неоднородностях, взаимодействуют с другими вихревыми нитями и останавливают их движение.
С увеличением силы тока, протекающего через образец, увеличивается и сила, действующая на вихрь. Когда эта сила становится достаточной для того, чтобы преодолеть закрепление, вихревые нити приходят в движение.
В сверхпроводниках второго рода, содержащих неоднородности, образованные, например, в результате пластической деформации, критический ток относительно большой. Такие образцы получили название жестких сверхпроводников.
В современных сверхпроводящих установках преимущественно применяются жесткие сверхпроводники второго рода.
Из чистых металлов самое большое критическое магнитное поле (около 0,2 тесла) имеет ниобий. У сплава ниобий — титан или ниобий — цирконий верхнее критическое поле составляет 13 тесла, то есть величину в 65 раз большую, а критическая плотность тока достигает 500 тысяч ампер на квадратный сантиметр!
Критическая температура сплава ниобий — титан равна 10,ЗК, в то время как ни у одного из чистых металлов критическая температура не достигает 10К.
Уже получено свыше тысячи сверхпроводящих сплавов и химических соединений. Любопытно, что ни одна из составляющих, например, такого сверхпроводящего сплава, как золото — висмут, в чистом виде сверхпроводящими свойствами не обладает.
Исследователи стремятся получить сверхпроводящие металлы и сплавы с возможно высокой критической температурой и возможно большими критическим полем и критическим током.
У сверхпроводящего сплава ниобий — олово верхнее критическое поле и плотность тока вдвое больше, чем у упомянутых выше сплавов, а критическая температура равна 18,ЗК.
К сожалению, сплав ниобий — олово очень хрупкий. Намотать на катушку провод из такого сплава весьма трудно.
Поэтому сплав изготавливается чаще всего непосредственно на катушке соленоида. На нее наматываются образцы исходных материалов сплава: ниобия и оловянной бронзы. При нагревании до температуры 700 °C олово из бронзы диффундирует в ниобий. Получается искомый сплав.
Еще большее верхнее критическое поле — 35 тесла — имеет сплав ниобий — германий. Его критическая температура 23,4К до недавнего времени считалась рекордной.
Ученые и инженеры успешно освоили технологию изготовления проводов из сплавов ниобий — титан и ниобий — олово. Эти сплавы являются основными материалами для сверхпроводящих магнитных систем.
Сверхпроводящий соленоид представляет собой охлаждаемую жидким гелием катушку сверхпроводящего провода, оба конца которой замкнуты накоротко. Циркулирующий в катушке незатухающий электрический ток создает мощное магнитное поле. Сейчас уже часто используются сверхпроводящие соленоиды с магнитным полем 10 тесла.
Для создания такого поля с помощью катушки с медным проводом требуется мощный генератор и громоздкая система водяного охлаждения. Такая установка представляет собой сложное инженерное сооружение.
А катушка одного из образцов сверхпроводящего соленоида с полем 10 тесла имеет диаметр всего 6 сантиметров. Затрата мощности при эксплуатации такого соленоида, определяемая в основном затратой энергии для поддержания катушки при температуре жидкого гелия, составляет всего 5 киловатт. Это в тысячу раз меньше энергии, затрачиваемой для получения аналогичного поля с помощью обычного соленоида.
В нашей стране создаются сверхпроводящие соленоиды с полем в 30 тесла. Но это не предел. Поиски сверхпроводящих материалов с возможно большим критическим полем продолжаются.
Большие критические магнитные поля достигнуты в сверхпроводящих соединениях на основе сульфидов молибдена. У одного из таких соединений критическое поле превышает 60 тесла.
Преимущества сверхпроводящих магнитов не ограничиваются возможностью получения мощных полей при минимальной затрате энергии. Наведенный в короткозамкнутой обмотке ток сохраняет свою величину сколь угодно долгое время. Создаваемое при этом магнитное поле отличается высокой стабильностью и однородностью в достаточно большей области пространства, что особенно важно для ряда научных и практических применений.
«Зарядка» сверхпроводящих катушек осуществляется с помощью небольших низковольтных источников, снабженных устройством для регулирования электрического тока. Когда ток в катушке достигает требуемой величины, она замыкается накоротко и источник может быть отключен.
Представьте себе, что по каким‑либо причинам происходит превышение критических параметров сверхпроводника и провод внезапно переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние. Тогда колоссальная магнитная энергия, заключенная в катушке, вырывается на волю в виде тепла. При этом не только испаряется жидкий гелий, но и расплавляется сама катушка.
Понадобился материал, способный принять этот удар на себя. Такую роль призвана сыграть чистая медь, обладающая, как известно, хорошей теплопроводностью.
В современных промышленных образцах сверхпроводящие провода окружаются медными проволоками. Так как сверхпроводящий ток течет по поверхности, сверхпроводник обычно расщепляется на множество тонких проводов.
Здесь медь играет роль не только теплоотвода, но и изолятора. Это утверждение может показаться на первый взгляд парадоксальным. Ведь мы привыкли к тому, что медь является хорошим проводником электрического тока. Однако по сравнению со сверхпроводником, имеющим нулевое сопротивление, даже такой материал, как медь, с низким, по представлениям обычной электротехники, сопротивлением, является прекрасным изолятором.
