Большая советская энциклопедия - сверхпроводники

Сверхпроводники, вещества, у которых при охлаждении ниже определенной критической температуры Тк электрическое сопротивление падает до нуля, т. е. наблюдается сверхпроводимость. За исключением Cu, Ag, Au, Pt, щелочных, щелочноземельных и ферромагнитных металлов, большая часть остальных металлических элементов является С. (см. Металлы). Элементы Si, Ge, Bi становятся С. при охлаждении под давлением. В сверхпроводящее состояние может переходить также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники. Следует отметить, что существуют сверхпроводящие сплавы, в которых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются С. Значения Тк почти для всех известных С. лежат в диапазоне температур существования жидкого водорода и жидкого гелия (температура кипения водорода Ткип = 20,4 К). Вторым важнейшим параметром, характеризующим свойства С., является величина критического магнитного поля Нк, выше которого С. переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. С ростом температуры значение Нк монотонно падает и обращается в нуль при Т ? Тк. Максимальное значение Нк = H0, определенное из экспериментальных данных путем экстраполяции к нулю абсолютной температурной шкалы, для ряда С. приведено в таблице. Самой высокой из известных (1974) Тк обладает соединение Nb3Ge, приготовленное по специальной технологии. Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твердо установлены, современная теория не дает возможности рассчитать значения Тк или Нк для известных С. или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако в результате накопления экспериментального материала был установлен ряд эмпирических закономерностей, позволяющий определить направление поисков сплавов с высокими Температура перехода сверхпроводящее состояние критическое магнитное поле для ряда металлов, полупроводников, сплавов и соединений ВеществоКритическая температура ТК, ККритическое поле Н0, э Сверхпроводники 1 родаСвинец7,2800 Тантал4,5830 Олово3,7310 Алюминий1,2100 Цинк0,8853 Вольфрам0,011,0 Сверхпроводники 2 родаНиобий9,254000 Сплав 65 БТ (Nb-Ti-Zr)9,7»100000 Сплав NiTi9,8»100000 V3Ga14,5»350000 Nb3Sn18,0»250000 (Nb3AI)4Nb3Ge20,0— Nb3Ge23— GeTe*0,17130 SrTiO3*0,2—0,4»300 Pb1,0Mo5,1S6»15»600000 * Выше Тк: эти соединения полупроводники. 1 э = 79,6 а/м. Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твердо установлены, современная теория не дает возможности рассчитать значения Тк или Нк для известных С. или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако в результате накопления экспериментального материала был установлен ряд эмпирических закономерностей, позволяющий определить направление поисков сплавов с высокими Тк и Нк. Важнейшие из этих закономерностей, известные под названием правил Маттиаса (установлены Б. Т. Маттиасом, США, 1955), сводятся к следующему: наибольшая Тк наблюдается у сплавов с числом 2 валентных электронов на атом Сверхпроводники3, 5, 7, причем для каждого z предпочтительней свой тип кристаллической решетки. Кроме того, Тк растет с увеличением объема и падает с ростом массы атома. По своим магнитным свойствам все С. разделяются на две группы: С. 1-го рода, для которых проникновение магнитного поля Н в сверхпроводник цилиндрической формы, расположенный вдоль поля, происходит скачком одновременно с появлением электрического сопротивления при Н ? Нк; С. 2-го рода, для которых проникновение продольного магнитного поля в аналогичных условиях начинается в значительно меньших полях (до появления сопротивления). Соответственно для С. 2-го рода различают нижнее критическое поле Нк1, при котором начинается проникновение магнитного поля, и верхнее критическое поле Нк2, при котором магнитное поле полностью проникает в объем С., а электрическое сопротивление приобретает значение, характерное для нормального состояния. (В таблице для С. 2-го рода приведены значения Нк2.) С. 1-го рода являются все чистые сверхпроводящие металлы, за исключением V и Nb, и некоторые сплавы с низким содержанием одного компонента. Группа С. 2-го рода более многочисленна. Сюда относится большинство соединений с высокими Тк, таких как V3Ga, Nb3Sn, и сплавы с высоким содержанием легирующих примесей. Среди С. 2-го рода выделяют группу жестких сверхпроводников. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления. В жестких С. 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 С., полностью лишенном дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длительного отжига 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 С., 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 жестких С. является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям с самыми высокими значениями Тк и Нк типа V2Ga, Nb3Sn, Pbi1,0Mo5,1S6. Изготовление сверхпроводящих магнитных систем из этих материалов представляет собой сложную технологическую задачу. Лит.: Сверхпроводящие материалы. Сб. ст., пер. с англ., М., 1965; Металловедение сверхпроводящих материалов, М., 1969. И. П. Крылов.