Почему открытие ВТСП стало революцией в области сверхпроводимости

После открытия явления сверхпроводимости Камерлинг Онесом в 1911 г. все время велись поиски новых материалов, обладающих максимально возможной температурой сверхпроводящего перехода T_c. Такие работы активизировались в 60-70-х гг. прошлого века. В 1973 г. была обнаружена сверхпроводимость в соединении Nb₃Ge при температуре 22,3 К, которая была вскоре была повышена до 23,2 К благодаря изменению условий получения. Долгое время эта температура оставалась рекордной. Постепенно, к середине 80-х гг., работы по поиску соединений с высокими Т_с стали затухать, ввиду все возрастающего скептицизма по поводу самой возможности их существования.

В этой обстановке, в 1986 г., совершенно неожиданно, появилось сообщение об открытии сверхпроводимости в керамическом соединении La_2-xBa_xCuO₄ с температурой сверхпроводящего перехода 35 К. Это открытие совершили швейцарские учёные Беднорц и Мюллер. Вначале это сообщение было встречено с недоверием, никто не предполагал, что сверхпроводимость может существовать в оксидной керамике. Однако вскоре эти данные были подтверждены во многих лабораториях по всему миру [1], а Беднорц и Мюллер уже в 1987 г. были удостоенные Нобелевской премии по физике.

2. Сверхпроводящие свойства ВТСП – соединений.

Сразу же развернулись и работы по поиску новых аналогичных керамических соединений. Во-первых, варьировался состав керамики (значение «х» в формульном коэффициенте), во вторых Ba замещался на родственные ему щелочноземельные Sr или Ca, и наконец, La заменялся на другие редкоземельные элементы и на близкий к ним иттрий, имеющий такую же валентность (+3) и близкий ионный радиус. Весной 1987 г. Чу с сотрудниками из Хьюстонского университета открыли соединение YBa₂Cu₃O_x илиY-123, имевшего температуру перехода 92 К, то есть выше температуры кипения жидкого азота (77,4 К). Это обстоятельство позволяло надеяться на настоящую революцию в электротехнике, так как жидкий азот не требует такой сложной криогенной системы, как жидкий гелий и в ~ 50 раз дешевле его.

Продолжение поисков привело к открытию аналогичных соединений RBa₂Cu₃O_x, где R – редкоземельный элемент, с рекордной температурой T_c = 95 К в случае диспрозия, т.е. в соединении DyBa₂Cu₃O_x. Было также установлено, что температура перехода во всех этих соединениях сильно зависит от содержания кислорода, и температура перехода может быть выше 90 К только в случае его максимального содержания – когда формульный коэффициент х достигает значения 6,94 в формульном коэффициенте (то есть, RBa₂Cu₃O_6,94), что несколько выше стехиометрического значения (6,5).

Поисковые работы развернулись также среди других химических соединений, имеющих в своём составе медь и кислород, так как было установлено, что именно слои Cu – O «ответственны» за сверхпроводимость.

В 1988 г. в лаборатории Цукуба (Япония) была открыта сверхпроводимость в висмутовых соединениях типа Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_x (n = 0, 1, 2) с максимальным значением Т_с-110 К в соединении Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x. Затем были открыты соединения таллиевой системы Tl-Ba-Ca-Cu - Oc Тс до 118 К, а в 1993 г. (Антипов (МГУ, Россия)) были открыты ртутные сверхпроводники HgBa₂Ca_n-1Cu_nO_2+2n+δ с максимальной температурой T_c = 135K для n = 3, в обычном состоянии, и с Т_с = 164 К при измерении образца под давлением. Эта температура 164 К и остаётся пока рекордной для ВТСП соединений, несмотря на то, что в последнее время (2006 – 2009 гг.) появились сообщения об открытии новых соединений с Т_с до 248 К (в системах Tl-Ba-Ca-Cu - O и Sn-Ba-Ca-Cu - O), однако эти данные так и не подтвердили. Всего к настоящему времени известно около 50 слоистых ВТСП купратов.

Кроме купратных соединений в 80-е-90е гг. были открыты также ещё 3 класса других веществ, имеющих температуру сверхпроводящего перехода выше 23 К: висмутовые оксидные ВТСП, фуллериды и карбиды.

После долгого перерыва, в 2008 году в Японии был открыт новый класс ВТСП соединений на основе железа и мышьяка - оксипниктиды с максимальным значением Т_с = 55 К.

На рисунке 1 показана динамика открытий сверхпроводящих веществ и соединений и рост значений Т_с.

Рисунок 1 - Динамика роста Т_с в сверхпроводниках [2]

Поиск по сайту: