Сверхпроводящие материалы: Сверхпроводящие материалы и технология их производства

Сверхпроводящие материалы и технология их производства

Из всех чистых металлов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, наивысшую критическую температуру перехода имеет ниобий (Т_кр = 9,2 К). Однако для ниобия характерны низкие значения критического магнитного поля (около 0,24 Тл), что недостаточно для его широкого применения. Хорошим сочетанием критических параметров Т_к и В_к отличаются сплавы и интерметаллидные соединения ниобия с цирконием, титаном, оловом и германием. В таблице 3.2 приведены критические параметры сверхпроводников, представляющих практический интерес.

Сплавы и соединения ниобия переходят в сверхпроводящее состояние при достаточно высоких температурах. Они могут выдерживать довольно сильные магнитные поля и характеризуются высокой плотностью тока. В жидком гелии при внешнем поле с индукцией 2,5 Тл критическая плотность тока составляет: для Nb – Zr – 1 кА/мм²; для Nb – Ti – 2,5 кА/мм²; Nb

3Sn – 17 кА/мм²; V₃Ga – 5 кА/мм².

К наиболее распространенным сверхпроводящим материалам относится сплав Nb (основа) с 46,5 % Ti (по массе). Этот сплав отличается высокой технологичностью, из него обычными методами плавки, обработки давлением и термической обработки можно изготавливать проволоку, кабели, шины. Интерметаллиды, хотя и обладают более высокими критическими параметрами, имеют высокую хрупкость, что затрудняет изготовление из них длинномерных проводов традиционными методами металлургической технологии.

При изготовлении сверхпроводящего кабеля в бруске меди просверливают множество отверстий и в них вводят тонкие Nb – Ti стержни. Брусок протягивают в тонкую проволоку, вновь разрезают ее на куски, которые снова вводят в новые бруски. Повторяя многократно эту операцию, получают кабель с большим числом сверхпроводящих жил, из которого делают катушки для электромагнитов (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Поперечное сечение многожильного сверхпроводящего композита с 361 ниобий-титановой жилой в медной матрице

Если в какой-либо жиле сверхпроводимость случайно нарушится, то высокая электро- и теплопроводность медной матрицы дает возможность осуществить термическую стабилизацию сверхпроводника в докритическом режиме.

Применение хрупких интерметаллидов значительно усложняет изготовление кабеля. Для получения проводов из сверхпроводящего соединения Nb₃Sn применяют так называемую бронзовую технологию, основанную на селективной твердофазной диффузии. Тонкие нити пластичного ниобия запрессовывают в матрицу из бронзы, содержащую 10 – 13 % Sn. В результате многократного волочения и повторяющихся запрессовок с промежуточными отжигами и последующей термической обработки происходит диффузия олова в ниобий и на его поверхности образуется тонкая пленка Nb

3Sn. Из-за ничтожной растворимости медь в ниобий практически не диффундирует. Схема бронзовой технологии представлена на рисунке 3.5. Полученные провода достаточно пластичны, легко гнутся и укладываются плетением в кабель, сохраняя целыми пленки Nb₃Sn.

Рисунок 3.5 – Схема бронзовой технологии изготовления многожильных проводов на основе Nb₃Sn: А – сборка, волочение и отжиг; Б – термообработка

Для получения сверхпроводящих лент из соединений интерметаллидов кроме того применяют метод химического осаждения из газовой фазы. Его использование позволяет синтезировать соединение Nb₃Ge, имеющее наиболее высокую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние.

Простота изготовления, благоприятное сочетание электрических и механических свойств и сравнительно низкая стоимость позволяют рекомендовать сверхпроводники на основе твердого раствора Nb – Ti в качестве основных материалов до В

к = 8 Тл при Т_к = 4,2 К. В более сильных полях, когда плотность тока существенно падает, целесообразно использовать интерметаллические соединения типа Nb₃Sn.

В конце 1980-х годов была открыта высокотемпературная сверхпроводимость в керамических материалах.

В 1986 г. впервые были получены сверхпроводящие керамические ок-сидные образцы системы La – Ва – Сu – О с температурой перехода в сверхпроводящее состояние Т_к = 35 К. Позднее на иттриевых керамиках системы Y – Ва – Сu – О была достигнута температура перехода в сверхпроводящее состояние Тк около 90 К, дающая возможность использовать дешевый и доступный жидкий азот в качестве хладагента. Керамика на основе соединений оксида меди с оксидом стронция, висмута и щелочноземельных элементов, например состава 2SrO*СаО*Bi

2O₃*2CuO, имеет еще более высокую Т_к – до 100 – 115 К. В настоящее время исследователями ряда стран разработано большое число керамических материалов с переходом при температурах 250 К и даже при комнатной температуре. Значительная часть разработанных материалов характеризуется нестабильностью и большой хрупкостью.

Поиск новых сверхпроводников продолжается, хотя пока проблема остается чисто научной. В перспективе необходимо разработать технологию производства и применения высокотемпературных сверхпроводников.

• ← Раздел 3.2.1
• Раздел 3.2.3 →

лекции по курсу Электротехнические материалы

Лекция 13

13. 1. Принцип сверхпроводимости. Влияние магнитного поля.           13.2. Низкотемпературные сверхпроводники.           13.3. Сверхпроводящая керамика.             13.1. Принцип сверхпроводимости. Влияние магнитного поля в начало лекции Протекание тока в проводниках всегда связано с потерями энергии, т.е. с переходом энергии из электрического вида в тепловой вид. Этот переход необратим, обратный переход связан только с совершением работы, как об этом говорит термодинамика. Существует, правда возможность перевода тепловой энергии в электрическую и с использованием т.н. термоэлектрического эффекта, когда используют два контакта двух проводников, причем один нагревают, а другой охлаждают. На самом деле, – и этот факт удивителен, существует ряд проводников, в которых, при выполнении некоторых условий, потерь энергии при протекании тока нет!  В рамках классической физики этот эффект необъясним. Согласно классической электронной теории движение носителя заряда происходит в электрическом поле равноускоренно до столкновения с дефектом структуры или с колебанием решетки. После столкновения, если оно неупругое, как столкновение двух пластилиновых шариков, электрон теряет энергию, передавая ее решетке из атомов металла. В этом случае принципиально не может быть сверхпроводимости. Оказывается сверхпроводимость появляется только при учете квантовых эффектов.  Наглядно представить это трудно. Некоторое, слабое представление о механизме сверхпроводимости можно получить из следующих соображений. Оказывается, если учесть, что электрон может поляризовать ближайший к нему  атом решетки, т.е. чуть-чуть притянуть его к себе за счет действия кулоновской силы, то этот атом решетки чуть- чуть сместит следующий электрон. Образуется как-бы связь пары электронов. При движении электрона, второй компонент пары, как-бы воспринимает энергию, которую передает электрон атому решетки. Получается, что если учесть энергию пары электронов, то она при столкновении не меняется, т.е. потери энергии электронов не происходит! Такие пары электронов называются куперовскими парами. В общем это трудно понять человеку со сложившимися физическими представлениями. Вам, это понять легче, по крайней мере вы можете это воспринять как данность.           Сверхпроводимость, как и сверхтекучесть, были обнаружены в экспериментах при сверхнизких температурах, вблизи абсолютного нуля температур. По мере приближения к абсолютному нулю колебания решетки замирают. Сопротивление протеканию тока уменьшается даже согласно классической теории, но до нуля при некоторой критической температуре  Тс, оно уменьшается только согласно квантовым законам.  Сверхпроводимость обнаружили  по двум явлениям: во первых по факту исчезновения электрического сопротивления, во вторых по диамагнетизму. Первое явление понятно - если пропускать определенный ток I через проводник, то по падению напряжения U на проводнике можно определить сопротивление R = U/I. Исчезновение напряжения означает исчезновение сопротивления как такового.           Второе явление требует более подробного рассмотрения. Если рассуждать  логически, то отсутствие сопротивления тождественно абсолютной диамагнитности материала. Действительно, представим себе небольшой опыт. Будем вводить сверхпроводящий материал в область магнитного поля. Согласно закону Джоуля-Ленца, в проводнике должен возникать ток, полностью компенсирующий изменение магнитного потока, т.е. магнитный поток через сверхпроводник как был нулевым, так и остается нулевым. В обычном проводнике этот ток затухает, т.к. у проводника есть сопротивление. Только после этого в проводник проникает магнитное поле. В сверхпроводнике он не затухает. Это означает, что протекающий ток приводит к  полной компенсации магнитного поля внутри себя, т.е. поле в него не проникает. С формальных позиций нулевое поле означает, что магнитная проницаемость материала равна нулю, m = 0 т.е. тело проявляет себя абсолютным диамагнетиком.           Однако эти явления характерны только для слабых магнитных полей. Оказывается сильное магнитное поле может проникать в материал, более того,  оно разрушает самое сверхпроводимость!  Вводят понятие критического поля Вс, которое разрушает сверхпроводник. Оно зависит от температуры: максимально при температуре, близкой к  нулю, исчезает при переходе к критической температуре Тс.  Для чего нам важно знать напряженность, (или индукцию) при которой исчезает сверхпроводимость? Дело в том, что при протекании тока по сверхпроводнику физически создается магнитное поле вокруг проводника, которое должно действовать на проводник. Например для цилиндрического проводника радиуса r, помещенного в среду с магнитной проницаемостью m, магнитная индукция на поверхности  в соответствии с законом Био-Савара-Лапласа составит B = m0×m×I/2pr                                                                                               (13.1) Чем больше ток, тем больше поле. Таким образом, при некоторой индукции (или напряженности) сверхпроводимость пропадает, а следовательно, через проводник можно пропустить только ток, меньше того, который создает критическую индукцию.           Таким образом для сверхпроводящего материала мы имеем два параметра: критическая индукция магнитного поля Вс и критическая температура Тс.              Для некоторых металлов критические параметры приведены в таблице. Металл Zn Cd Al Ga In Ti Sn Pb Вс, мТл 5. 3 3 9.9 5.1 28.3 16.2 20.6 80.3 Тс, К 0.88 0.56 1.19 1.09 3. 41 1.37 3.72 7.18 Видно, что для металлов критические температуры близки к абсолютному нулю температур. Это область, т.н. «гелиевых» температур, сравнимых с точкой кипения гелия (4.2 К). Относительно критической индукции можно сказать, что она сравнительно невелика. Можно сравнить с индукцией в трансформаторах  (1-1.5 Тл). Или например с индукцией вблизи провода. Рассчитаем например индукцию в воздухе вблизи провода радиусом 1 см при протекании тока 100 А. m0 = 4p 10-7 Гн/м,  m = 1, I = 100 A,  r = 10-2м.             Подставляя в выражение (13.1) получим В = 2 мТл, т. е значение, примерно соответствующее  критическим. Это означает, что если такой проводник поставить в линию электропередач, например 6 кВ, то  максимальная мощность, которая может передаваться по каждой фазе составит Рм = Uф·I = 600 кВт. На рассмотренном примере видно, что собственное магнитное поле ограничивает возможность передачи мощности по криогенному проводу. При этом, чем ближе температура к критической температуре, тем меньше значение критической индукции.   13.2. Низкотемпературные сверхпроводники в начало лекции Выше я уже останавливался на некоторых конкретных сверхпроводящих материалах. В принципе свойство сверхпроводимости характерно практически для всех материалов. Только для самых электропроводящих – медь, серебро (парадокс?) сверхпроводимость не обнаружена. Конкретное применение сверхпроводимости в энергетике выглядит заманчивым: иметь линии электропередач без потерь было бы замечательно. Другой вариант применения – генератор со сверхпроводящими обмотками. Образец такого генератора разрабатывался в Санкт-Петербурге, были проведены успешные испытания. Третий вариант – электромагнит, индукция которого может управляемо меняться в зависимости от силы тока. Еще один пример – сверхпроводящий индуктивный накопитель. Представьте себе огромную катушку из сверхпроводящего проводника. Если в нее каким-либо способом закачать ток и замкнуть входной и выходной провода, то ток в катушке будет течь бесконечно долго. В соответствии с известным законом в катушке будет заключена энергия W = L× I2/2 где L- индуктивность катушки. Гипотетически можно представить себе, что в какой-то момент времени избытка энергии в энергосистеме, из нее забирается энергия в такой накопитель. Здесь она хранится столько времени, сколько нужно до появления потребности в энергии. Затем она постепенно, управляемо перекачивается опять в энергосистему. В физике и технике сверхпроводимости имеются и слаботочные аналоги радиоэлементов обычной электроники. Например в системах «сверхпроводник – тонкая прослойка резистивного металла (или диэлектрика) – сверхпроводник» возможен ряд новых физических эффектов, которые уже применяются в электронике. Это квантование магнитного потока в  кольце, содержащем такой элемент, возможность скачкообразного изменения тока в зависимости от напряжения при воздействии на систему слабого излучения, и построенные на этом принципе эталонные источники напряжения с точностью до 10-10 В. Кроме этого, существуют запоминающие элементы, аналого-цифровые преобразователи и т.п. Существует даже несколько проектов компьютеров на сверхпроводниках.   Актуальность проблемы микроминиатюризации с помощью полупроводников заключается в том, что даже малое выделение энергии в очень малом объеме может привести к значительным перегревам и остро встает проблема отвода тепла. Эта проблема особенно актуальна для суперкомпьютеров. Оказывается в микрочипах локальные тепловые потоки могут достигать значений киловатт на квадратный сантиметр. Убрать тепло обычными путями, с помощью обдува воздухом не удается. Предложили убрать корпуса микросхем и обдувать непосредственно микрокристалл. Здесь возникла проблема слабой теплопередачи в воздух. Следующим шагом предложили залить все жидкостью и отводить тепло кипячением жидкости на этих элементах. Жидкость должна быть очень чистой, не содержать микрочастиц, не вымывать ничего из многочисленных элементов компьютера. Пока эти вопросы полностью не решены. Исследования проводятся с фторорганическими жидкостями. В сверхпроводниковых компьютерах таких проблем нет, т.к. нет потерь. Однако само охлаждение оборудования до криогенных температур требует немало затрат. При этом, чем ближе к абсолютному нулю – тем больше затраты. Причем зависимость нелинейная, она даже сильнее, чем обратно пропорциональная зависимость. Температурную шкалу в криогенной области условно делят на несколько областей по температурам кипения сжиженных газов: гелиевая (ниже 4.2 К), водородная 20.5 К, азотная 77 К, кислородная 90 К, аммиак (-33 °С). Если бы удалось найти материал, у которого температура кипения была бы вблизи или выше водородной – затрат на поддержание кабеля в рабочем состоянии было бы в десять раз меньше чем для гелиевых температур. При переходе к азотным температурам был бы выигрыш еще на несколько порядков величины. Поэтому сверхпроводящие материалы, работающие при гелиевых температурах, хотя были открыты более 80 лет назад, до сих пор не нашли применения в энергетике. Можно отметить, что очередные попытки разработать действующее криогенное устройство предпринимаются после каждого из прорывов в технологии. Прогресс в технологии привел к тому, что появились сплавы, которые обладали лучшими характеристиками по критическим индукции и температуре. Так в начале 70-х годов был  бум по исследованию станнида ниобия  Nb3Sn. У него Вс = 22 Тл, а Тс= 18 К. Однако у этих сверхпроводников,  в отличие от металлов эффект сверхпроводимости более сложен. Оказывается у них существуют два  значения критической напряженности Вс0 и Вс1.   В промежутке между ними материал не имеет сопротивления по отношению к постоянному току, но имеет конечное сопротивление переменному току. И хотя Вс0 достаточно велико, но значения второй критической индукции Вс1 мало отличается от соответствующих значений для металлов. «Простые» сверхпроводники получили название сверхпроводников первого рода, а «сложные» – сверхпроводников второго рода. Новые интерметаллические соединения не обладают пластичностью металлов, поэтому попутно решался вопрос, как делать протяженные элементы типа проводов из хрупких материалов. Разработали несколько вариантов,  в том числе создание композитов типа слоеный пирог с пластичными металлами, например медью,  нанесение интерметаллов на медную подложку и т.п., что пригодилось при разработке сверхпроводящей керамики. 13.3. Сверхпроводящая керамика в начало лекции Следующим радикальным шагом в исследовании сверхпроводимости явилась попытка найти сверхпроводимость в оксидных системах. Смутная идея разработчиков состояла в том, что в системах содержащих вещества с переменной валентностью возможна сверхпроводимость, причем при более высоких температурах. Были исследованы двойные системы, т.е. состоящие из двух разных оксидов. Здесь не удалось найти сверхпроводимость. И только в тройных системах BaO-La2O3-CuO в 1986 г была обнаружена сверхпроводимость при температуре 30-35 К. За эту работу Беднорц и Мюллер получили Нобелевскую премию в следующем, (!!) 1987 г. Интенсивные исследования родственных составов в течение года привели к обнаружению сверхпроводимости в системе BaO-Y2O3-CuO при температуре 90 К.  На самом деле сверхпроводимость получена в еще более сложной системе, формулу которой можно представить как YBa2Cu3O7-d. Значение d для самого высокотемпературного сверхпроводящего материала составляет 0.2. Это означает не только определенное процентное соотношение между исходными окислами, но и уменьшенное содержание кислорода. Действительно, если посчитать по валентностям, то у иттрия – 3, у бария – два, у меди 1 или 2. Тогда у металлов полная валентность составит 10 или 13, а у кислорода - чуть меньше 14. Значит в этой     керамике избыток кислорода относительно стехиометрического соотношения. Керамику получают по обычной керамической технологии. Как из хрупкого вещества делать провода?  Один из способов, делают суспензию из порошка в подходящем растворителе, затем раствор продавливают через фильеру, подсушивают и сматывают на барабан. Окончательное удаление связки проводят выжиганием, провод готов. Свойства таких волокон: критические температуры  90-82 К, при 100 К r=12 мОм·см, (примерно как у графита), критическая плотность тока 4000 А/м2. Остановимся на последней цифре. Это значение крайне низко для применения в энергетике. Сравнивая с экономической плотностью тока (~1 А/мм2),  видно, что в керамике плотность тока в 250 раз меньше. Ученые исследовали этот вопрос и пришли к выводу, что во всем виноваты контакты, которые не являются сверхпроводящими. Действительно, в монокристаллах получены плотности тока, достигающие экономической плотности тока. А в последние два-три года получены керамические провода, плотность тока в которых превышает экономическую плотность тока. В 1999 году в Японии введен в пробную эксплуатацию сверхпроводящий кабель, соединяющий две станции метро. Кабель сделан по технологии “сэндвича”, т.е. хрупкая керамика в нем находится между двумя слоями упругой и пластичной меди. Изоляцией и одновременно, хладоагентом, является жидкий азот. Как вы думаете, что является одной из основных проблем работы этого кабеля? Можете догадаться, об этих проблемах раньше говорили применительно к изоляции. Оказывается, диэлектрические потери в таком замечательном диэлектрике, как жидкий азот, подогревают его, что требует постоянной заботы об дополнительном охлаждении.

Список лекций  Введение в предмет. Электрофизические характеристики материалов. Электропроводность. Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости. Теплофизические и механические характеристики материалов. Конструкционные материалы. Проводниковые материалы. Слабопроводящие материалы. Электропроводность и потери в диэлектриках. Процессы в диэлектриках по действием сильных электрических полей. Газообразные  и жидкие  диэлектрики. Твердые диэлектрики. Магнитные материалы. Сверхпроводящие материалы. Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов. Испытания материалов.

DOE объясняет… сверхпроводимость | Департамент энергетики

Куб из магнитного материала парит над сверхпроводником. Поле магнита индуцирует токи в сверхпроводнике, которые создают равное и противоположное поле, точно уравновешивая гравитационную силу куба.

Изображение предоставлено Окриджской национальной лабораторией

При температурах, которые большинство людей считают «нормальными», все материалы обладают некоторым электрическим сопротивлением. Это означает, что они сопротивляются потоку электричества так же, как узкая труба сопротивляется потоку воды. Из-за сопротивления часть энергии теряется в виде тепла, когда электроны проходят через электронику в наших устройствах, таких как компьютеры или сотовые телефоны. Для большинства материалов это сопротивление сохраняется, даже если материал охлаждается до очень низких температур. Исключение составляют сверхпроводящие материалы. Сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов проводить электричество постоянного тока (DC) без потери энергии при охлаждении ниже критической температуры (обозначается как T _c ). Эти материалы также излучают магнитные поля при переходе в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость — одно из самых интригующих квантовых явлений природы. Он был обнаружен более 100 лет назад в ртути, охлажденной до температуры жидкого гелия (около -452°F, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля). Раньше ученые могли объяснить, что происходит со сверхпроводимостью, но почему и как сверхпроводимость была загадкой почти 50 лет.

В 1957 году трое физиков из Иллинойского университета использовали квантовую механику для объяснения микроскопического механизма сверхпроводимости. Они предложили радикально новую теорию того, как отрицательно заряженные электроны, которые в норме отталкиваются друг от друга, образуют пары ниже T _c . Эти спаренные электроны удерживаются вместе вибрациями на атомном уровне, известными как фононы, и в совокупности пары могут двигаться сквозь материал без сопротивления. За свое открытие эти ученые получили Нобелевскую премию по физике в 1972.

После открытия сверхпроводимости ртути это явление наблюдалось и в других материалах при очень низких температурах. Материалы включали несколько металлов и сплав ниобия и титана, из которых можно было легко сделать проволоку. Провода поставили перед исследователями сверхпроводников новую задачу. Отсутствие электрического сопротивления в сверхпроводящих проводах означает, что они могут поддерживать очень высокие электрические токи, но выше «критического тока» электронные пары распадаются, и сверхпроводимость разрушается. С технологической точки зрения провода открыли совершенно новые области применения сверхпроводников, в том числе намотанные катушки для создания мощных магнитов. В 19В 70-х годах ученые использовали сверхпроводящие магниты для создания сильных магнитных полей, необходимых для разработки аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ). Совсем недавно ученые представили сверхпроводящие магниты для направления электронных пучков в синхротронах и ускорителях в научных пользовательских учреждениях.

В 1986 году ученые открыли новый класс материалов на основе оксида меди, которые проявляли сверхпроводимость, но при гораздо более высоких температурах, чем металлы и сплавы металлов, появившиеся в начале века. Эти материалы известны как высокотемпературные сверхпроводники. Хотя их все еще необходимо охлаждать, они становятся сверхпроводящими при гораздо более высоких температурах — некоторые из них при температурах выше жидкого азота (-321°F). Это открытие сулило революционные новые технологии. Также предполагалось, что ученые смогут найти материалы, обладающие сверхпроводимостью при относительно высоких температурах.

С тех пор многие новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы были обнаружены с помощью обоснованных предположений в сочетании с экспериментами методом проб и ошибок, включая класс материалов на основе железа. Однако также стало ясно, что микроскопическая теория, описывающая сверхпроводимость в металлах и металлических сплавах, неприменима к большинству этих новых материалов, поэтому тайна сверхпроводимости снова бросает вызов научному сообществу.

Управление науки и сверхпроводимости Министерства энергетики США

Управление науки Министерства энергетики, Управление фундаментальных энергетических наук поддерживает исследования высокотемпературных сверхпроводящих материалов с момента их открытия. Исследование включает в себя теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разгадку тайны сверхпроводимости и открытие новых материалов. Хотя полное понимание квантового механизма еще предстоит открыть, ученые нашли способы улучшить сверхпроводимость (увеличить критическую температуру и критический ток) и открыли много новых семейств высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Каждый новый сверхпроводящий материал дает ученым возможность приблизиться к пониманию того, как работает высокотемпературная сверхпроводимость и как разрабатывать новые сверхпроводящие материалы для передовых технологических приложений.

Факты о сверхпроводимости

• Сверхпроводимость была открыта в 1911 году Хайке Камерлинг-Оннес. За это открытие, сжижение гелия и другие достижения он получил Нобелевскую премию по физике 1913 года.
• Пять Нобелевских премий по физике были присуждены за исследования в области сверхпроводимости (1913, 1972, 1973, 1987 и 2003 годы).
• Приблизительно половина элементов в таблице Менделеева обладает низкотемпературной сверхпроводимостью, но в приложениях со сверхпроводимостью часто используются более простые в использовании или менее дорогие сплавы. Например, в аппаратах МРТ используется сплав ниобия и титана.

Ресурсы и связанные термины

• Потребности в фундаментальных исследованиях квантовых материалов для технологий, связанных с энергетикой
• Использование сверхпроводимости
• Потребности в фундаментальных исследованиях сверхпроводимости
• Разгадка тайны идеальной эффективности: исследование сверхпроводников
• Научное достижение: физики раскрывают секрет поведения уникальных сверхпроводящих материалов

 

Научные термины могут сбивать с толку. Объяснения DOE предлагают простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.

 

Жизнеспособный сверхпроводящий материал создан в лаборатории Рочестера: News Center

8 марта 2023 г.

Образец гидрида лютеция диаметром около одного миллиметра, сверхпроводящего материала, созданного в лаборатории ученого из Рочестера Ранга Диаса, под микроскопом. Это составное изображение является результатом наложения фокуса и улучшения цвета нескольких изображений. (Фото Университета Рочестера / Дж. Адам Фенстер)

Исследователи не только повысили температуру, но и снизили давление, необходимое для достижения сверхпроводимости.

Исследователи из Университета Рочестера сделали историческое достижение, создав сверхпроводящий материал при температуре и давлении, достаточно низких для практического применения.

«С этим материалом наступил рассвет сверхпроводимости в окружающей среде и прикладных технологий», — заявила команда под руководством Ранга Диаса, доцента кафедры машиностроения и физики. В газете Nature , исследователи описывают легированный азотом гидрид лютеция (NDLH), который проявляет сверхпроводимость при температуре 69 градусов по Фаренгейту и давлении 10 килобар (145 000 фунтов на квадратный дюйм или psi).

Хотя давление в 145 000 фунтов на квадратный дюйм может показаться чрезвычайно высоким (давление на уровне моря составляет около 15 фунтов на квадратный дюйм), методы проектирования деформаций, обычно используемые в производстве чипов, например, включают материалы, удерживаемые вместе за счет внутреннего химического давления, которое даже выше.

Ученые добивались этого прорыва в физике конденсированного состояния более века. Сверхпроводящие материалы обладают двумя ключевыми свойствами: электрическое сопротивление исчезает, а испускаемые магнитные поля проходят вокруг сверхпроводящего материала. Такие материалы могли бы позволить:

• Электросети, которые передают электроэнергию без потери до 200 миллионов мегаватт-часов (МВтч) энергии, которая сейчас происходит из-за сопротивления в проводах
• Парящие высокоскоростные поезда без трения
• Более доступные методы медицинской визуализации и сканирования, такие как МРТ и магнитокардиография
• Более быстрая и эффективная электроника для цифровой логики и памяти
• Токамак, использующий магнитные поля для удержания плазмы для достижения термоядерного синтеза в качестве источника неограниченной мощности

Ранее группа Dias сообщила о создании двух материалов — углеродсодержащего гидрида серы и супергидрида иттрия, — которые обладают сверхпроводимостью при температуре 58 градусов по Фаренгейту/39.миллионов фунтов на квадратный дюйм и 12 градусов по Фаренгейту / 26 миллионов фунтов на квадратный дюйм соответственно, в статьях Nature и Physical Review Letters .

«Наступил рассвет внешней сверхпроводимости и прикладных технологий», — говорит Ранга Диас, чья лаборатория создала жизнеспособный сверхпроводящий материал, который они назвали «красной материей». (Фото из Университета Рочестера / Дж. Адам Фенстер)

Принимая во внимание важность нового открытия, Диас и его команда пошли на необычные меры, чтобы задокументировать свое исследование и предотвратить критику, появившуюся после предыдущих Nature , что привело к опровержению статьи редакторами журнала. По словам Диаса, предыдущая статья была повторно отправлена ​​​​в Nature с новыми данными, подтверждающими более раннюю работу. Новые данные были собраны за пределами лаборатории, в Аргоннской и Брукхейвенской национальных лабораториях перед аудиторией ученых, которые вживую наблюдали сверхпроводящий переход. Аналогичный подход был применен к новой статье.

Пять аспирантов лаборатории Диаса — Натан Дасенброк-Гаммон, Эллиот Снайдер, Рэймонд Макбрайд, Хиранья Пасан и Дилан Дурки — указаны в качестве соавторов. «Все в группе участвовали в проведении экспериментов, — говорит Диас. «Это было действительно коллективное усилие».

«Поразительная визуальная трансформация»

Гидриды, созданные путем соединения редкоземельных металлов с водородом с последующим добавлением азота или углерода, в последние годы предоставили исследователям дразнящий «рабочий рецепт» для создания сверхпроводящих материалов. С технической точки зрения, гидриды редкоземельных металлов образуют клатратоподобные каркасные структуры, где ионы редкоземельных металлов действуют как доноры-носители, обеспечивая достаточное количество электронов, которые усиливают диссоциацию молекул h3. Азот и углерод помогают стабилизировать материалы. Вывод: для возникновения сверхпроводимости требуется меньшее давление.

Помимо иттрия исследователи использовали другие редкоземельные металлы. Однако полученные соединения становятся сверхпроводящими при температурах или давлениях, которые все еще нецелесообразны для приложений.

Итак, на этот раз Диас посмотрел в другом месте периодической таблицы.

Лютеций выглядел как «хороший кандидат, который стоит попробовать», — говорит Диас. Он имеет сильно локализованные полностью заполненные 14 электронов в своей f-орбитальной конфигурации, которые подавляют смягчение фононов и обеспечивают усиление электрон-фононного взаимодействия, необходимого для сверхпроводимости при температуре окружающей среды. «Ключевой вопрос заключался в том, как мы собираемся стабилизировать это, чтобы снизить необходимое давление? И вот тут на сцену вышел азот».

Азот, как и углерод, имеет жесткую атомную структуру, которую можно использовать для создания более стабильной решетчатой ​​​​решетки внутри материала, и, по словам Диаса, он упрочняет низкочастотные оптические фононы. Эта структура обеспечивает стабильность сверхпроводимости при более низком давлении.

Команда Диаса создала газовую смесь из 99 процентов водорода и одного процента азота, поместила ее в реакционную камеру с чистым образцом лютеция и дала компонентам прореагировать в течение двух-трех дней при температуре 392 градуса по Фаренгейту.

Ранга Диас (слева) и Нугзари Халваши-Саттер 23 года настраивают лазерную матрицу в передовой лаборатории спектроскопии Диаса в Хоупман Холле. (Фото Университета Рочестера / Дж. Адам Фенстер)

Полученное соединение лютеций-азот-водород первоначально имело «блестящий голубоватый цвет», говорится в документе. Когда соединение затем сжимали в ячейке с алмазной наковальней, происходило «поразительное визуальное преобразование»: от голубого до розового в начале сверхпроводимости, а затем до ярко-красного несверхпроводящего металлического состояния.

«Это был очень ярко-красный цвет, — говорит Диас. «Я был потрясен, увидев цвета такой интенсивности. Мы с юмором предложили кодовое название материала в этом состоянии — «красная материя» — в честь материала, который Спок создал в популярном фильме «Звездный путь» 2009 года». Кодовое название прижилось.

Давление в 145 000 фунтов на квадратный дюйм, необходимое для индукции сверхпроводимости, почти на два порядка ниже, чем предыдущее низкое давление, созданное в лаборатории Диаса.

Прогнозирование новых сверхпроводящих материалов с помощью машинного обучения

При финансовой поддержке премии Диаса Национального научного фонда CAREER и гранта Министерства энергетики США его лаборатория теперь ответила на вопрос, может ли сверхпроводящий материал существовать как при температурах окружающей среды, так и при давлениях, достаточно низких для практического применения.

«Путь к сверхпроводящей бытовой электронике, линиям передачи энергии, транспорту и значительным улучшениям магнитного удержания для термоядерного синтеза теперь стал реальностью», — говорит Диас. «Мы считаем, что сейчас мы находимся в современной сверхпроводящей эре».

Например, Диас предсказывает, что гидрид лютеция, легированный азотом, значительно ускорит прогресс в разработке токамаков для термоядерного синтеза. Вместо того, чтобы использовать мощные сходящиеся лазерные лучи для взрыва топливной таблетки, токамаки полагаются на сильные магнитные поля, излучаемые корпусом в форме пончика, для улавливания, удержания и воспламенения перегретой плазмы. По словам Диаса, NDLH, который создает «огромное магнитное поле» при комнатной температуре, «изменит правила игры» для новой технологии.

через GIPHY

По словам Диаса, особенно интересной является возможность обучения алгоритмов машинного обучения на накопленных данных экспериментов со сверхпроводниками в его лаборатории для прогнозирования других возможных сверхпроводящих материалов — по сути, смешивание и сопоставление тысяч возможные комбинации редкоземельных металлов, азота, водорода и углерода.

«В повседневной жизни мы используем множество различных металлов для различных целей, поэтому нам также потребуются различные виды сверхпроводящих материалов», — говорит Диас. «Подобно тому, как мы используем разные металлы для разных приложений, нам нужно больше внешних сверхпроводников для разных приложений».

Соавтор Кейт Лоулор уже приступил к разработке алгоритмов и проведению расчетов с использованием суперкомпьютерных ресурсов, доступных в Центре интегрированных исследовательских вычислений Университета Рочестера.