Практические приложения сверхпроводимости подробно обсуждаются в ряде книг, к которым относятся монографии Фиш- лока, Ньюхауза, Солимэра и Уилъямса, приведенные в библио- 3.6. Сверхпроводимость 345 графин в конце главы. В данном разделе мы хотим обрисовать диапазон ее приложений, как реализующихся, так и потенциально возможных. Из всех сверхпроводящих устройств наибольшее распространение получил на сегодняшний день сверхпроводящий магнит, в котором большой постоянный ток в спиральной обмотке из сверхпроводящей проволоки используется для создания сильного магнитного поля для лабораторных и промышленных целей. Неудобство, связанное с необходимостью иметь жидкий хладагент, в который должна быть погружена катушка электромагнита, часто компенсируется теми преимуществами, которые дает возможность получения с ее помощью магнитной индукции, достигающей 15 Тл при пренебрежимо малых омических потерях (PR). Создание таких сверхпроводящих магнитов стало возможно только после того, как были найдены очень «жесткие» сверхпроводящие материалы II рода, для которых поле #с2 при рабочей температуре имеет большую величину82. Некоторые из этих материалов приведены в верхней части правого столбца табл. 3.4. Они характеризуются большими значениями #с2 при Г=0 (для Va3Ga при абсолютном нуле, согласно сообщениям, Вс2 достигает 35 Тл) и высокими значениями Тс. Получение многих из этих материалов сопряжено со значительными трудностями прежде всего из-за их исключительной хрупкости. От хрупкости, свойственной поликристаллическим материалам, можно в какой-то мере избавиться устранением примесей и отжигом (т. е. термообработкой). К несчастью, эти попытки облегчить задачу конструктора магнита сопряжены с уменьшением способности к переносу большого тока. Так происходит потому, что сверхпроводник II рода в промежуточном состоянии (выше Ней но ниже Ясг) представляет собой мозаичную структуру из нитей сверхпроводящего и «нормального» материала. Прохождение тока, создающего поле Я, превышающее Нси приводит к миграции под действием силы Лоренца вихрей магнитного потока, связанных с «нормальными» включениями. Поэтому практически важно, чтобы в объеме материала II рода были распределены нерегулярности решетки, которые должны закреплять * эти вихри и таким образом предотвращать потери энергии, связанные с их движением. Хрупкость проволоки — это та цена, которую приходится платить за то, чтобы сверхпроводящий магнит был способен создавать очень большие поля. 82 Kunzer /. £.— Rev. Mod. Phys., 33, 501 (1961). * Английское слово pin буквально означает «пришпилить». Отсюда происходит название явления — «пиннинг». См.: Абрикосов А. А. Основы теории металлов.— М.: Наука, 1987.— Прим. перев. 346 Гл. 3. Электроны в металлах Протекание переменного тока по сверхпроводнику II рода при поле, превосходящем нижний предел Нси неизбежно сопровождается гистерезисными потерями, поскольку небольшое периодическое движение магнитных вихрей, связанных с нитями «нормального» материала, невозможно исключить полностью. Таким образом, при больших полях материал обладает конечным сопротивлением на переменном токе. Чем больше частота, тем больше ожидаемые омические потери. Из-за этого при использовании жестких сверхпроводников на частотах, составляющих несколько сотен герц, токи должны иметь такую величину, чтобы поле все время оставалось меньше Нс\. С учетом указанного ограничения частоты была выполнена работа (см. книги Ньюхауза и Уильямса) по использованию жестких сверхпроводников для обмоток электрических генераторов переменного тока и электродвигателей. Здесь затраты энергии, связанные с охлаждением, должны компенсироваться тем выигрышем, который дает уменьшение массы (предположительно в 10 раз) при данной рабочей мощности. Рассматривалась также возможность использования сверхпроводящих материалов для подземных кабелей с применением жестких сверхпроводников II рода для передачи электроэнергии на постоянном токе и I рода (вероятно, в виде тонкой пленки) для системы электропередачи на переменном токе. С тех пор как впервые стало известно о «жестких» сверхпроводниках с большими значениями Тс и #С2 и высокой допустимой силой тока82, исследователей заинтересовало, насколько высокой можно сделать температуру Тс. У двух материалов, приведенных вверху правого столбца табл. 3.4, Тс близка к точке кипения жидкого водорода. Однако отсюда не следует, что именно водород, а не гелий может быть использован в качестве хладагента во всех будущих приложениях сверхпроводников. (Щель сверхпроводимости при Т=ТС обращается в нуль, как и способность выталкивать магнитный поток и переносить без потерь сверхпроводящий ток. Серьезно говорить о сверхпроводящих приборах, охлаждаемых жидким водородом, станет возможно, когда температура Тс будет лежать существенно выше 23 К. Маттиас83 предвидит возможность получения таких сплавов, в которых Тс может достигать 30 К, однако он сомневается, что эту температуру можно поднять выше 25—30 К *. Некоторые авторы84 возлагают большие надежды на то, что »з Matthias В. Г.—Physics Today, 24, 8, 23 (1971). * О высокотемпературной сверхпроводимости см. предисловие редакторов перевода.— Прим. ред. 84 Например, Little W. Л.—Phys. Rev., 134, А1416 (1964). 3.6. Сверхпроводимость 347 органические комплексы с переносом заряда, обладающие высокой электропроводностью в одном направлении, могут обладать одномерной сверхпроводимостью с высокой температурой Тс. Однако большинство усилий в этой области не увенчалось успехом из-за фазового перехода материала в диэлектрик при охлаждении. Важно различать те органические соли с переносом заряда, которые представляют собой металлы или полуметаллы, и те, которые из-за изменения внутримолекулярных расстояний обладают зонной структурой, где отсутствуют частично заполненные зоны. Пайерлс в своей классической книге (см. библиографию) предупреждал, что энергия частично заполненной 1/)-зоны может понизиться в результате возникновения последовательности межатомных расстояний, образующих (непроводящую) сверхрешетку. Поэтому, хотя перхлорат с органическим катионом (HMTSF) и является сверхпроводником 85, значение Тс для этой соли лишь ненамного превышает 1 К. Научный интерес к Ш-проводимости в свое время несомненно приведет к получению несколько больших значений Тс. Ряд приложений сверхпроводимости основан на использовании сверхпроводников I рода; при этом главный интерес представляют не столько высокие температура перехода или магнитные поля, сколько возможность применения высоких частот. Примером такого прибора является сверхпроводящий линейный ускоритель, в котором высокочастотные объемные резонаторы окружены тонким слоем свинца или ниобия, охлаждаемым, сверхтекучим гелием. Сверхпроводящий линейный ускоритель в Станфордском университете88 работает на частоте 950 МГц, и добротность Q внутри резонатора достигает 1010. Поскольку в сверхпроводник I рода магнитное поле, меньшее, чем объемное критическое поле, практически не проникает, при движении по такому сверхпроводнику магнитного потока потерь не возникает. Даже магнитный поток, проникающий на глубину Ландау Я, определяемую формулой (3.192), входит в проводник и выходит из него за счет обратимого механизма, не сопровождающегося потерями. Это свойство лежит в основе создания сверхпроводящих опор без трения, которые способны выдерживать нагрузку 104 Н/м2 и более. Такие опоры предполагается использовать для высокоскоростных транспортных средств. Отсутствие трения между сверхпроводником I рода и магнитным полем привело также к созданию сверхпроводящего гироскопа, в котором вращающаяся сфера из сверхпроводника I рода «подвешена» в магнитном поле. 85 Bechgaard К. et al— Phys. Rev. Lett., 46, 852 (1981). »• Fairbank W. M.t Schwettman H. Л.—Cryog. Eng. News, 2, 8, 46 (1967). 348 Гл. 3. Электроны в металлах На рис. 3.67 показано открытое Оннесом резкое изменение сопротивления с температурой при переходе ртути в сверхпроводящее состояние. Исследования, проводимые с 1911 г., многократно подтвердили резкий характер этого перехода для различных материалов. Сверхпроводящий болометр 87 представляет собой тонкую полоску материала, поддерживаемую с помощью соответствующего термостатирующего устройства при температуре Тс. Под действием небольшого количества поглощенного теплового излучения сопротивление элемента по крайней мере частично возвращается к «нормальному» значению. Болометр такого типа может успешно конкурировать с другими тепловыми детекторами в отношении его чувствительности к излучению и постоянной времени, однако он требует чрезвычайно точного контроля температуры, что ограничивает возможности применения этого прибора. Сильное различие между сопротивлением в «нормальном» и в сверхпроводящем состоянии было положено Баком88 в основу двухпозиционного переключательного элемента, называемого криотроном. В нем имеются две обмотки из сверхпроводящей проволоки (или две тонкие пленки), ток в одной из которых определяет наличие или отсутствие сверхпроводимости в другой. Поэтому такое устройство может служить двоичным логическим элементом или элементом памяти в цифровом компьютере. Были также предприняты попытки использовать переходные токи для создания магнитным путем «островков» нормального материала, расположенных в определенных местах в целом сверхпроводящей тонкой пленки. Такие островки должны быть окружены циркулирующим сверхпроводящим током, который затем может быть детектирован и использован в качестве основы памяти компьютера. Важность оптимизации технологии производства компьютеров в наши дни не нуждается в обосновании. Ряд применений сверхпроводимости опирается непосредственно на квантовую природу этого состояния вещества. Так, квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце, описываемое формулой (3.194), было использовано89 в чувствительном магнитометре, который мог также служить и абсолютным амперметром переменного тока. Туннельные переходы на основе сандвич-структур типа металл—диэлектрик—сверхпроводник (МДС) или сверхпроводник—диэлектрик—сверхпроводник (СДС) уже упоминались 87 Andrews D. И., Milton R. M.t de Sorbo W. /.— J. Opt. Soc. Am., 36, 518 (1946). См. также: Nartin D. #., Bloor D.— Cryogenics, 1, 1 (1961). 88 Buck D. Л.— Proc. IRE, 44, 481 (1956). ■• Deaver B. S., Goree W. S.—Rev. Sci. Instr., 38, 311 (1967), Задачи 349 выше в связи с экспериментами Живера62. Эксперименты, использующие такие сандвич-переходы, позволяют получить информацию о плотности состояний в сверхпроводнике или о других свойствах твердых тел, из которых состоит сандвич. Более того, на основе туннельных СДС-переходов были созданы усилители, генераторы и детекторы высокочастотного электромагнитного излучения, а также фононов высокой частоты. В книге Солимера84 обсуждается применение туннельных переходов, в том числе переходы Джозефсона. В переходах Джозефсона63, которые ранее были названы СДС-переходами, изолирующий слой настолько тонок ( — 10 А), что сверхпроводящие куперовские пары могут переходить из одного металла в другой. Первое поразительное свойство такой структуры состоит в том, что конечный сверхпроводящий ток может протекать по цепи, содержащей переход Джозефсона, при нулевом напряжении на контакте! Этот сверхпроводящий ток очень чувствителен к магнитному полю и обращается в нуль всякий раз, когда полный магнитный поток в диэлектрическом зазоре равен целому кратному (nfrfe). Именно поэтому переход Джозефсона может быть использован в качестве основного элемента чувствительного магнитометра или гальванометра. Когда к переходу Джозефсона приложено малое напряжение V0y ток через него осциллирует с угловой частотой о>о=дал). с3-196) Напряжение в 1 мкВ приводит к генерации частоты (соо/2я) = = 484 МГц. Путем измерения частоты, соответствующей известному напряжению90, величина отношения (h/e) была получена с очень большой точностью. Эффект Джозефсона было предложено использовать при сравнении международных эталонов напряжения.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Применение сверхпроводимости» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
