Типы сверхпроводящих материалов и их применение

Введение

Сверхпроводящие материалы - это замечательный класс материалов, которые демонстрируют нулевое электрическое сопротивление и изгнание магнитного поля (эффект Мейсснера) при охлаждении ниже критической температуры (Tc). С момента их открытия в 1911 году Хайке Камерлинг-Оннесом сверхпроводники произвели революцию в различных областях, от медицинской визуализации до передачи энергии. В этой статье мы расскажем о различных типах сверхпроводящих материалов и их разнообразных применениях.

Типы сверхпроводящих материалов

Сверхпроводники можно разделить на две категории в зависимости от их критической температуры и магнитных свойств: сверхпроводники типа I и типа II. Кроме того, они могут быть классифицированы по составу и срокам открытия, например, обычные, высокотемпературные и нетрадиционные сверхпроводники.

[1]

1. Сверхпроводники типа I

Сверхпроводники типа I - это в основном чистые металлы и металлоиды, которые проявляют сверхпроводимость при очень низких температурах (обычно ниже 30 К). Они характеризуются резким переходом в сверхпроводящее состояние и полным изгнанием магнитного поля (эффект Мейсснера) ниже их критического магнитного поля (Hc). Примеры включают:

- Ртуть (Hg): Первый открытый сверхпроводник с Тс 4,2 К.

- Свинец (Pb): Tc 7,2 К.

- Алюминий (Al): Tc 1,2 К.

Сверхпроводники типа I ограничены в практическом применении из-за их низких критических температур и магнитных полей.

2. Сверхпроводники типа II

Сверхпроводники II типа - это более сложные материалы, включая сплавы и соединения, которые могут выдерживать более сильные магнитные поля и имеют более высокие критические температуры. Они допускают проникновение магнитных полей в виде квантованных вихрей, что позволяет им оставаться сверхпроводящими при более высоких полях. Примеры включают:

- Ниобий-титан (NbTi): Широко используется в сверхпроводящих магнитах для аппаратов МРТ и ускорителей частиц.

- Ниобий-олово (Nb3Sn): Используется в высокополевых магнитах благодаря более высокому критическому полю.

3. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)

Высокотемпературные сверхпроводники - это класс материалов, которые проявляют сверхпроводимость при температурах, значительно превышающих температуры обычных сверхпроводников (выше 30 К). Они часто представляют собой материалы на основе оксида меди (купрата) или железа. Примеры включают:

- Оксид меди иттрий-барий (YBCO): Tc 92 K.

- Оксид меди висмут-стронций-кальций (BSCCO): Tc 110 K.

- Сверхпроводники на основе железа: Открыты в 2008 году, их Тс достигает 55 К.

ВТСП-материалы особенно перспективны для практического применения благодаря способности работать при температуре жидкого азота (77 К), который более экономичен, чем жидкий гелий.

4. Нетрадиционные сверхпроводники

Нетрадиционные сверхпроводники не подчиняются традиционной теории сверхпроводимости БКС. К ним относятся:

- Тяжелые фермионные сверхпроводники: Материалы типа CeCu2Si2, в которых электроны ведут себя так, как будто они обладают чрезвычайно большой массой.

- Органические сверхпроводники: Материалы на основе углерода, которые демонстрируют сверхпроводимость при низких температурах.

- Диборид магния (MgB2): Простое соединение с Тс 39 К, преодолевающее разрыв между обычными и высокотемпературными сверхпроводниками.

Применение сверхпроводящих материалов

Уникальные свойства сверхпроводников привели к их использованию в широком спектре приложений в различных отраслях промышленности. Ниже приведены некоторые из наиболее значимых применений:

[2]

1. Медицинская визуализация

Сверхпроводящие магниты являются основой аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ). Ниобий-титановые (NbTi) сверхпроводники обычно используются для создания сильных и стабильных магнитных полей, необходимых для получения изображений высокого разрешения. Нулевое сопротивление сверхпроводников обеспечивает эффективную работу без значительных потерь энергии.

2. Ускорители частиц

Сверхпроводящие материалы необходимы для ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе. Ниобий-оловянные (Nb3Sn) и ниобий-титановые (NbTi) магниты используются для создания интенсивных магнитных полей, необходимых для направления и фокусировки пучков частиц на околосветовых скоростях.

3. Передача энергии

Сверхпроводящие кабели могут передавать электричество с нулевым сопротивлением, что значительно снижает потери энергии по сравнению с обычными медными кабелями. Высокотемпературные сверхпроводники, такие как YBCO, изучаются на предмет использования в сверхпроводящих электросетях, что может произвести революцию в распределении энергии.

4. Магнитно-левитационные поезда (маглев)

Сверхпроводящие магниты позволяют поездам маглев парить над рельсами, устраняя трение и обеспечивая сверхскоростное движение. Японский поезд SC Maglev, в котором используются сверхпроводники YBCO, развивает скорость более 600 км/ч.

5. Квантовые вычисления

Сверхпроводящие материалы лежат в основе квантовых битов (кубитов) в квантовых компьютерах. Джозефсоновский переход - устройство из двух сверхпроводников, разделенных изолятором, - является ключевым компонентом сверхпроводящих квантовых схем. Такие компании, как IBM и Google, используют эту технологию для создания мощных квантовых процессоров.

6. Накопители энергии

Сверхпроводящие магнитные накопители энергии (SMES) хранят энергию в магнитном поле, создаваемом сверхпроводящей катушкой. Эти системы могут высвобождать большое количество энергии практически мгновенно, что делает их идеальными для стабилизации энергосистем и обеспечения резервного питания.

7. Научные исследования

Сверхпроводящие материалы используются в передовых исследовательских инструментах, таких как сверхпроводящие квантовые интерференционные приборы (SQUID), которые представляют собой высокочувствительные магнитометры, способные обнаруживать очень слабые магнитные поля. SQUID используются в самых разных областях - от геологии до нейронаук.

8. Энергия термоядерного синтеза

Сверхпроводящие магниты необходимы для удержания плазмы в реакторах ядерного синтеза, таких как проект ITER. Высокотемпературные сверхпроводники, такие как YBCO, используются для разработки более эффективных и компактных термоядерных реакторов.

9. Освоение космоса

Сверхпроводящие материалы используются в криогенных системах для космических телескопов и детекторов. Например, сверхпроводящие детекторы используются в астрофизике для наблюдения слабых сигналов от далеких звезд и галактик.

10. Промышленные применения

Сверхпроводящие материалы используются в электродвигателях и генераторах для промышленного применения. Эти устройства более эффективны и компактны, чем их обычные аналоги, что делает их идеальными для использования в ветряных турбинах и электромобилях.

Заключение

Сверхпроводящие материалы изменили современные технологии. Каждый класс материалов - от сверхпроводников типа I до высокотемпературных и нетрадиционных вариантов - обладает уникальными свойствами и возможностями применения. По мере развития исследований сверхпроводники обещают совершить революцию в еще большем количестве отраслей. Более подробную информацию о передовых материалах можно найти в Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

[1] Abd-Shukor, R.. Высокотемпературные сверхпроводники: Материалы, механизмы и применение.

[2] Chao Yao, Yanwei Ma, Сверхпроводящие материалы: Проблемы и возможности для крупномасштабных применений, iScience, том 24, выпуск 6, 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221005095.