Сверхпроводники́ - вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах ниже критической (Тк). По магнитным свойствам различают сверхпроводники 1-го и 2-го рода. К сверхпроводникам относятся около половины металлов (например, Al, Тк = 1,2 К; Pb, Tк = 7,2 К), несколько сотен сплавов (например, Ni-Ti, Тк ≈ 9,8 К), в том числе интерметаллические соединения (например, Nb3Ge, Тк ≈ 23 К), многие полупроводники (например, GeTe, Тк = 0,17 К). В 1980-87 открыты высокотемпературные оксидные сверхпроводники (VBa2Cu3О7 и др.) с Тксверхпроводники́100 К.
* * *
СВЕРХПРОВОДНИКИ - СВЕРХПРОВОДНИКИ́, вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах ниже критической (Тк) (см. Сверхпроводимость (см. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ)). Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов, в сверхпроводящее состояние могут переходить также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники. Существуют сверхпроводящие сплавы, в которых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются сверхпроводниками.
В основе теоретического объяснения явления сверхпроводимости заложено представление об образовании электронных куперовских пар (см. Купера эффект (см. КУПЕРА ЭФФЕКТ)). В сверхпроводнике взаимодействие электронов друг с другом происходит в результате обменного фононного взаимодействия через кристаллическую рещетку. Это означает, что сверхпроводимость должна наблюдаться у веществ, характеризующихся сильным взаимодействием электронов проводимости с ионами решетки кристалла и поэтому являющимися относительно плохими проводниками в обычных условиях Если взаимодействие электронов с решеткой слабое, (вещество - хороший проводник), то перехода в сверхпроводящее состояние зарегистрировать не удается. (медь, серебро, золото). Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние.
Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферромагнетизм (см. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ) или антиферромагнетизм (см. АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМ). Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция SrTiO3, относящийся к группе сегнетоэлектриков (см. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ). Ряд полупроводников можно перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей.
В зависимости от поведения сверхпроводников в магнитном поле различают сверхпроводники I и II рода.
Сверхпроводники I рода
Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры Тк и критической напряженности магнитного поля Нк у них малы (максимальное значение Тк и Нк в этой группе материалов имеет свинец: Тк=7,2 К, Нк=65кА/м, а минимальное - вольфрам, у которого величина Тк = 0,01 К, а Нк =0,1 кА/м), что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера (см. МЕЙСНЕРА ЭФФЕКТ). Сверхпроводникам I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Низкие значения Нк у сверхпроводников I рода существенно ограничивают плотность тока, что препятствует их практическому использованию. Большинство металлов - сверхпроводники I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. Поэтому большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др.
Сверхпроводники II рода
Сверхпроводники II рода переходят в сверхпроводящее состояние не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале температур. Значения Тк и Нк у них больше, чем у сверхпроводников I рода. Соответственно для сверхпроводников II рода различают нижнее критическое поле Нк1, верхнее критическое значение поля Нк2.
При достижении магнитным полем величины Нк1начинается проникновение магнитного поля в сверхпроводник, и электроны, скорость которых перпендикулярна Н, под влиянием силы Лоренца (см. ЛОРЕНЦА СИЛА) начинают двигаться по окружности. Возникают вихревые нити. Ствол нити остается нормальным, несверхпроводящим металлом, вокруг которого движутся электроны, обеспечивая сверхпроводимость. В результате материал обладает как сверхпроводящей составляющей, так и нормальной проводимостью. Т. е. в таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля и достижении более высоких значений Нк2 нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. При достижении критического значения поля Нк2 магнитное поле полностью проникает в объём сверхпроводника. Значения Нк2 для таких сверхпроводников, как Nb3Sn и PbMo6S составляют величину порядка105Э. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля - системах магнитной подвески транспортных средств, устройствах удержания плазмы в термоядерных реакторах и т. д. Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода.
Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тк = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.
Жесткие сверхпроводники
Сверхпроводники II рода, имеющие структурные неоднородности (дефекты решетки, примеси), называют «жесткими» сверхпроводниками. Часто «жесткие» сверхпроводники II рода выделяют в самостоятельный класс - сверхпроводники III рода. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления, например при пластическом деформировании, протяжке и т. д. К «жестким» сверхпроводникам относится большая группа сплавов на основе ниобия и ванадия. Например, такие сплавы, как Nb-Ti, V-Ga, Nb-Ge.Тонкие пленки из сверхпроводниковых металлов Al, Bi, Nb также являются «жесткими» сверхпроводниками. В жестких сверхпроводниках движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис. По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Нк2 полей при любой ориентации тока и магнитного поля. Следует отметить, что в идеальном сверхпроводнике, полностью лишенном дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длительного отжига (см. ОТЖИГ) сплава), при любой ориентации поля и тока, за исключением продольной, сколь угодно малый ток будет сопровождаться потерями на движение магнитного потока уже при Н > Нк1. Нижнее критическое поле Нк1 обычно во много раз меньше Нк2. Поэтому именно жесткие сверхпроводники, у которых электрическое сопротивление практически равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технических приложений.
Их применяют для изготовления обмоток магнитов сверхпроводящих и других целей. Существенным недостатком жёстких сверхпроводников является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям типа V2Ga, Nb3Sn и др.
Высокотемпературные сверхпроводники
В настоящее время все вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние условно разделяют на две большие группы: низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. К низкотемпературным сверхпроводникам относят сверхпроводники, у которых Тк 25 К. К таким сверхпроводникам относятся некоторые металлы и сплавы, ряд полупроводников и интерметаллических соединений типа NbN, TaC. В 1986 были открыты высокотемпературные сверхпроводники, у которых Тк выше температуры жидкого азота, равной 77 К. К ним относятся сложные соединения - керамика на основе оксида меди (например, Tl2Ca2Ba2Cu3O10 с Тк=127 К) и другие оксидные сверхпроводники. Оксидные высокотемпературные сверхпроводники являются соединениями с ионно-ковалентной связью и дефектной по кислороду перовскитно-подобной кристаллической структурой с упорядоченным расположением кислородных вакансий.
Все известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники являются оксидами, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Все соединения кристаллизуются в идеальном или нарушенном структурном типе перовскита. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов.