Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемпературные сверхпроводники (Высокие T_c) — семейство материалов (сверхпроводящих керамик) с общей структурной особенностью, относительно хорошо разделёнными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ.Последовательная теория сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко многим экспериментальным и теоретическим результатам, и интерес в этой области — не только в достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 была немедленно присуждена Нобелевская премия.

История открытия высокотемпературной сверхпроводимости

• История сверхпроводимости характеризуется цепочкой открытий все более и более сложных структур, своеобразной «химической эволюцией» от простого к сложному. Она ведет начало с 1911 г., когда голландский физик Камерлинг-Оннес, впервые получивший жидкий гелий и тем самым открывший путь к систематическим исследованиям свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю, обнаружил, что при 4,2 К обычная металлическая ртуть (простое вещество, представляющее собой «плохой металл») полностью теряет электрическое сопротивление. В 1933 г. Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники (СП) одновременно являются и идеальными диамагнетиками, то есть полностью выталкивают линии магнитного поля из объёма СП (Эффект Мейснера).

• Всё это в принципе открыло широчайшие возможности для практического применения сверхпроводимости. Однако на пути к реализации этих идей длительное время существовала непреодолимая преграда — крайне низкая температура перехода в СП состояние, называемая критической температурой (Т_с). За 75 лет, прошедших со времени открытия Камерлинг-Оннеса, эту температуру удалось поднять лишь до 23,2 К на интерметаллиде Nb₃Ge, причем общепризнанные теории сверхпроводимости (Теория БКШ) порождали неверие в принципиальную возможность преодоления этого температурного барьера.

• В 1986 г. Беднорц и Мюллер обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La_2-xBa_xCuO₄) переходить в СП состояние при 30 К. Сложные купраты аналогичного состава были синтезированы в 1978 г. Лазаревым, Кахан и Шаплыгиным, а также французскими исследователями двумя годами позже. К сожалению, электропроводность этих образцов была измерена лишь до температуры кипения азота (77К), что не позволило обнаружить эффект сверхпроводимости.

• Важнейшей чертой открытия ВТСП можно назвать то, что сверхпроводимость была обнаружена не у традиционных интерметаллидов, органических или полимерных структур, а у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства. Это разрушило психологические барьеры и позволило в течение короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных СП почти одновременно в США, Японии, Китае и России:

• -февраль 1987 г. — Чу и др. синтезируют, используя идею «химического сжатия» для модифицирования структуры, СП керамику из оксидов бария, иттрия и меди YBa₂Cu₃O_7-x с критической температурой 93 К, то есть выше точки кипения азота.

• -в январе 1988 г. Маеда и др. синтезируют серию соединений состава Bi₂Sr₂Ca_x-1Cu_xO_2x+4, среди которых фаза с x=3 имеет Т_с=108К.

• -месяц спустя Шенг и Херман получили сверхпроводник Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ c T с = 125K.

• -в 1993 г. Антипов, Путилин и др. открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa₂Ca_x-1Cu_xO_{2x+2+ d} (x=1-6). В настоящее время фаза HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+d (Hg −1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры (135К), причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164К, что лишь на 19К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, СП «химически эволюционировали», пройдя путь от металлической ртути (4,2 К) к ртуть-содержащим ВТСП (164 К).

• Всего к настоящему времени (на 1999 год) известно более 50 оригинальных слоистых ВТСП-купратов. Время от времени в печати появляются сенсационные сообщения о создании новых СП с Т_с выше комнатной температуры. И хотя безмедные СП известны довольно давно, на них до сих пор не удавалось достичь сколько-нибудь высокой температуры перехода в СП состояние (рекордные значения Тс для безмедных СП достигнуты у Ba_1-xK_xBiO₃ и у фазы внедрения на основе фуллерена (Сs₃C₆₀). Отдельно следует упомянуть также направление, связанное с попытками синтеза «экологически безопасных» ВТСП, не содержащих тяжелых металов (Hg, Pb, Ba), например получаемых под высоким давлением оксикупратных фаз кальция.

Сплавы ниобия (интерметаллиды)

2001г-открыт сплав MgB2(диборид магния) это сверхпроводник с Тс= 40К.Он подходит для строительства сверхпроводящих магнитов

Органические сверхпроводники

В конце 60-х — начале 70-х гг были большие надежды на синтез органических комплексов с переносом заряда (КПЗ) — например, комплексов en:TCNQ-TTF (тетрацианохинодиметан-тетратиофульволен). Однако, несмотря на синтез ряда перспективных соединений, оказалось, что сверхпроводимость в этих комплексах неустойчива даже при небольших плотностях тока.

Ссылки

• Открытие высокотемпературной сверхпроводимости
• Изотопический эффект в ВТСП-соединениях