Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля
Открытие керамических высокотемпературных сверхпроводников вызвало интерес во всем мире. В промышленно развитых странах возрастающими темпами разворачиваются работы по дальнейшему усовершенствованию высокотемпературных сверхпроводников, созданию новых сверхпроводящих устройств.
Взгляните на график, иллюстрирующий рост критической температуры сверхпроводников в течение календарного времени.
На протяжении многих десятилетий эта кривая медленно, словно нехотя, поднималась вверх.
За период с 1911 по 1986 год, то есть за 75 лет, критическую температуру удалось увеличить всего на 20 кельвинов, то есть прирост составлял в среднем чуть больше четверти кельвина в год. Легко рассчитать, что при дальнейшем продвижении такими темпами исследователи достигли бы рубежа азотных температур где‑то в середине XXII века.
Как в природе, так и в обществе периоды плавного эволюционного развития сменяются революционными скачками.
Революция в области сверхпроводимости произошла в конце 1986—начале 1987 года, когда критическая температура увеличилась скачком на 70 кельвинов (жирный участок кривой на графике).
В дни, когда пишутся эти строки, революция в области сверхпроводимости продолжается.
130… 150… 170… 200… и даже 500 кельвинов… Такие сообщения о достигнутой температуре сверхпроводящего перехода поступают из разных источников.
Какие из этих результатов окажутся достаточно достоверными, а кто в пылу «сверхпроводящей лихорадки» принял желаемое за достигнутое, пока сказать трудно.
Трудные ступени критической температуры сверхпроводников: 1— ртуть; 2— свинец; 3— ниобий; 4— ниобий — олово; 5— ниобий — германий; 6— лантан — стронций — медь-кислород; 7— иттрий — барий — медь — кислород. Температура кипения: А — жидкого гелия, Б — жидкого водорода, В — жидкого азота.
Согласно поверью древних, Земля стоит на трех китах.
Три «кита», на которых держится сверхпроводимость, это — критическая температура, критическое магнитное поле и критический ток.
Варьируя состав керамики иттрий — барий- медь — кислород, исследователи получили соединение, которому присвоили название: фаза «один- два — три», отражающее количественное соотношение его составляющих — иттрия, бария и меди.
Критическая температура этого соединения, в зависимости от способа приготовления образцов и режима их термообработки, лежит в пределах 94—98К, что примерно на 20 кельвинов выше точки кипения жидкого азота.
Рассказывая об истории открытия высокотемпературных сверхпроводников, автор намеренно избегал термина «критическая температура». У первых керамических высокотемпературных сверхпроводников переход в сверхпроводящее состояние был «размыт»: электрическое сопротивление не сразу падало до нуля, а лишь при дополнительном охлаждении на несколько, а порой на десяток кельвинов.
У иттрий — бариевых сверхпроводников состава «один — два — три» при достижении критической тем — пературы электрическое сопротивление почти сразу падает до нуля.
Примечательно, что в данном случае цифры «один — два — три» оказались «магическими».
Все соединения типа иттрий — барий — медь — кисло- род состава «один — два — три», в которых вместо иттрия последовательно брали редкоземельные элементы: скандий, европий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, являются сверхпроводниками с критической температурой от 85 до 96К.
Еще раз автор напоминает читателю, что при критической температуре критическое магнитное поле и критический ток равны нулю и увеличиваются по мере отхода от критической в сторону более низких температур.
Поэтому особое значение приобретает то обстоятельство, что иттрий — бариевые сверхпроводники можно охлаждать с помощью жидкого азота до температуры на 20К ниже критической. Такой «запас прочности» обеспечивает получение достаточно больших критических магнитных полей и критических токов.
Верхнее критическое магнитное поле иттрий — ба- риевых сверхпроводников достигает 100 тесла, что значительно превышает прежний рекорд 60 тесла, наблюдаемый у одного из соединений на основе сульфидов молибдена. Помните, об этом рассказывалось в шестой главе.
Еще сравнительно недавно исследователей удручало, что критический ток керамических сверхпроводников имеет мизерную величину, значительно меньшую, чем у «классических» сверхпроводников. Плотность критического тока не превышала нескольких ампер на квадратный сантиметр.
Путем усовершенствования технологии изготовления удалось увеличить плотность критического тока иттрий — бариевых сверхпроводников до 10 тысяч ампер на квадратный сантиметр. Иными словами, через стержень сечением в один квадратный сантиметр, охлаждаемый жидким азотом, можно пропускать без каких‑либо потерь ток силой десять тысяч ампер.
Значительно большая плотность критического тока получена на керамических сверхпроводящих пленках.
Оригинальный способ синтеза сверхпроводящих пленок методом напыления с помощью лазера разработан в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР. Такая пленка отличается высокой стабильностью, а плотность тока составляет 2,6 миллиона ампер на квадратный сантиметр.
В календаре открытий высокотемпературной сверхпроводимости месяц январь встречается дважды.
В конце января 1987 года был открыт, как читатель, наверное, помнит, иттрий — бариевый высокотемпературный сверхпроводник.
Спустя год, в конце января 1988 года, ученый мир узнал, что открыт новый высокотемпературный сверхпроводник — висмутовая керамика. Стал известен и ее состав: две части висмута, три части стронция и кальция, две части меди, восемь частей кислорода.
У висмутовой керамики критический ток примерно такой же, как у иттрий — бариевой, но она имеет ряд преимуществ: более стабильна, химически стойкая, менее хрупкая.
Ожидается, что по плотности тока и некоторым другим характеристикам висмутовая керамика превзойдет своих предшественниц. К тому же она дешевле, так как не содержит редкоземельный элемент иттрий, который в десять раз дороже висмута. В лабораториях СССР, Японии, США проводятся интенсивные исследования этого перспективного высокотемпературного сверхпроводника.
Одним из главных препятствий для промышленного применения керамических сверхпроводников является их хрупкость. Но ведь, как читатель уже знает, хрупкостью отличается и сплав ниобий — олово. А сверхпроводящие провода и кабели из него уже не первый год успешно используют в технике и промышленности, даже на таких ответственных участках, как экспериментальные установки термоядерного синтеза.
Но керамические сверхпроводники имеют и свои специфические особенности.
Известно, что одной из составных частей существующих сверхпроводящих проводов является медь. Однако у керамических сверхпроводников «дружба» с медью пока не состоялась: керамика содержит кислород, а медь быстро окисляется.
Чтобы керамику можно было использовать для изготовления проводов и кабелей, предстоит решить нелегкие технологические задачи.
Промышленность уже изготовляет керамические сверхпроводники в виде колец, пластин, цилиндриков.
Процесс изготовления сверхпроводящей керамики достаточно прост.
Смесь порошков — исходных компонентов соединения, тщательно измельченных и перемешанных в нужной пропорции, — прокаливается на воздухе при температуре 950 °C в течение 12 часов. После охлаждения до комнатной температуры будущий сверхпроводник прессуют и придают требуемую форму. Затем еще прокаливают в течение шести часов в атмосфере чистого кислорода и медленно охлаждают.
Недаром один видный советский физик сказал, что керамический сверхпроводник может быть изготовлен даже… на кухне.
…В четвертой главе книги описан эксперимент, демонстрирующий эффект Мейснера в сверхпроводниках, получивший шуточное название «гроб Магомета».
Не менее наглядный опыт сегодня может быть осуществлен с помощью более простых средств, доступных даже школьному физическому кабинету.
Погрузив подвешенное на ниточке колечко из иттрий — бариевой керамики в сосуд с жидким азотом, а затем удалив охлаждающую среду, вы подносите к колечку постоянный магнит.
Что должно при этом произойти со сверхпроводником, вы, наверное, твердо усвоили, если внимательно прочли четвертую главу книги.
Магнитное поле постоянного магнита индуцирует незатухающий ток на поверхности колечка, который в свою очередь возбуждает магнитное поле.
Колечко иттрий — бариевой керамики, предварительно охлажденное в жидком азоте, отталкивается магнитом.
