новости бизнеса
компании и предприятия
нефтехимические компании
продукция / логистика
торговый центр
ChemIndex
новости науки
работа для химиков
химические выставки
лабораторное оборудование
химические реактивы
расширенный поиск
каталог ресурсов
электронный справочник
авторефераты
форум химиков
подписка / опросы
проекты / о нас


контакты
поиск
   

главная > справочник > химическая энциклопедия:

Сверхпроводники


выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Сверхпроводники, вещества, в которых при понижении температуры до некоторой критической величины Тс обнаруживается явление сверхпроводимости - их электрическое сопротивление полностью исчезает. При этом сверхпроводники ведут себя как идеальные диамагнетики с аномально большой магнитной восприимчивостью c = = — 1/4p, следствием чего является выталкивание магнитного поля из объема сверхпроводники (эффект Мейснера). При увеличении напряженности магнитного поля до некоторой критическое величины происходит разрушение сверхпроводящего состояния.

В зависимости от характера проникновения магнитного поля в сверхпроводники и динамики разрушения сверхпроводимости при увеличении напряженности магнитного поля различают сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода теряют свою сверхпроводимость в поле H = Hс, когда поле скачком проникает в материал и он во всем объеме переходит в нормальное состояние. Для сверхпроводников 2-го рода характерно постепенное проникновение магнитного поля в толщу образца на протяжении интервала от нижнего критического значения Яс,1 до верхнего критического значения Hс,2, при котором происходит полное разрушение сверхпроводящего состояния.

В случае протекания электрического тока через сверхпроводники вокруг них возникает собств. магнитное поле. Существует максимальная критическая величина плотности тока Jc, при которой это поле разрушает сверхпроводящее состояние. При нахождении сверхпроводники с током во внешнем магнитном поле величина Jc может изменяться.

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 25 простых веществ (главным образом металлов), большого числа сплавов, интерметаллидов, многих сложных оксидов переходных металлов, некоторых полимеров (табл. 1).

Металлы, кроме Nb, Тс, V, относятся к сверхпроводникам 1-го рода. Для Li, Cr, Si, Ce, Pr, Nd, Eu, Yb сверхпроводящее состояние обнаружено только в тонких слоях; As, Ba, Bi, Те, Sb, Se, P и другие становятся сверхпроводники при охлаждении под давлением. К сверхпроводникам 1-го рода относятся также некоторые бинарные сплавы. Значения Hс для сверхпроводников 1-го рода не превышает 7,9•104 А/м.

Большое число сплавов, интерметаллидов и других химических соединений относится к сверхпроводникам 2-го рода. Среди сплавов типа твердых растворов, образованных металлами - соседями по периодической системе, наиболее высокие Тс проявляются у сплавов Мо-Тс и Mo-Re (Тc=11-14К) и сплавов Nb-Ti и Nb-Zr (Tc = 10 К, Jc ! 109-1010 А/м2 при 4,2 К); эти сплавы широко используются в технике для изготовления сверхпроводящих магнитов-соленоидов.

Среди интерметаллидов сверхпроводящие свойства обнаружены у нескольких сотен соединений, принадлежащих к различным структурным типам; самые высокие значения Тс у соединений со структурой b-W, например V3Si (Tс 17 К) и Nb3Ge (Tc 23 К).

Другой типичный пример сверхпроводников 2-го рода - вещества, кристаллические структуры которых сформированы с участием атомов металлов и неметаллов, например: соединения со структурой NaCl - гидриды, карбиды, нитриды переходных металлов, как правило переменного состава. Для отдельных соединений этой группы Тс превышает 17 К, - например, для NbN Тс = 17,3 К. Для некоторых из сверхпроводников 2-го рода высокое значение Тс сочетается с высокими значениями Нс,2. К таким веществам относятся так называемые фазы Шеврёля-двойные сульфиды (селениды, теллуриды) молибдена МxМо6S8, где М = Ag, Sn, Pb, Y, Cu, Mg, Sc, In, Co . Так, PbMo6S8 при Тс = 15 К обладает Hс в 4,76•104 А/м. Достаточно высокие Hc,2 до 8,1 • 103 А/м при не очень высокой температуре перехода (Тс < 1 К) имеют также CeCu2Si2, UPt3, UBe13, VRu2Si2 и др.

Для металлов, сплавов, твердых растворов и некоторых других соединений сверхпроводимость объясняется в основном электронно-фононным механизмом спаривания электронов с противоположными спинами с образованием связанного состояния - так называемых куперовских пар (теория Бардина-Купера-Шриффера).

Среди множества химических соединений для изучения сверхпроводимости представляют интерес вещества, обладающие свойствами полупроводников и сегнетоэлектриков. Среди этих соединений различают химические структуры встречаются вещества с резко выраженной анизотропией электрических свойств; например, у слоистых соединений - дихалькогенидов переходных металлов формулы МХ2 (М-переходный метал IV, V или VI группы, X-S, Se, Те) электрическое сопротивление вдоль слоев на несколько порядков ниже, чем поперек.

Направленный поиск привел к открытию сверхпроводимости в некоторых полимерных структурах. Первый такой сверхпроводник - полисульфурнитрид (SN)x с моноклинной сингонией, его Тс = 0,26 К. Затем были синтезированы сверхпроводящие элементоорганические соединения на основе тетратиофульвалена (TTF), тетраметилтетраселенафульвалена TMTSF и бис-(этиленди-тио)тетратиафульвалена BEDT-TTF, представляющие собой комплексы с переносом заряда (TMTSF)2X или (BEDT-TTF)2Y, где X = PF6, CIO4, AsF6, Y = I3, IBr2, AuI2. Tемператуpa перехода, для этих соединений лежит в интервале от 1 до 10 К, например: для (TMTSF2)PF6 Tс = 11 К, для (BEDT-TTF)2I3-1,5-8 К (последняя цифра достигается при давлении больше 2•107Па), для (BEDT-TTF)2IBr2-2,8K, для (BEDT-TTF)2AuI2 - 5 К. У таких органических сверхпроводники, как и у слоистых дихалькогенидов, величина Тс, как правило, зависит от величины приложенного давления. Для соединений типа (TMTSF)2X значения Нс,1 и Hc,2 сильно зависят от направления внешнего магнитного поля из-за анизотропии движения электронов в нормальном состоянии; для соединений типа (BEDT-TTF)2X анизотропия при - низких температурах отсутствует.

Среди оксидных соединений, являющихся диэлектриками, сверхпроводимость впервые обнаружена у SrTiO3 со структурой перовскита (Тс ~ 1 К), затем у Li1+xTi2_xO4 со структурой шпинели (Тс> 13 К) и сложных оксидов Ва со структурой перовскита BaPb1-xBixO3 (x = 0,25) при Тс = 14 К. Открытие сверхпроводимости у сложных оксидов меди-Lа2_хМхСuО4 (М = Са, Sr, Ва, x = 0,15)-привело к синтезу многочисленных, так называемых высокотемпературных, сверхпроводники с Tc 35 К (табл. 2), для которых, как правило, неприемлем электронно-фононный механизм спаривания электронов.

Такие сверхпроводники являются соединениями с ионно-ковалентной связью и дефектной по кислороду перовскитоподобной структурой с упорядоченным расположением кислородных вакансий. Для них характерна сравнительно высокая подвижность кислорода в кристаллической решетке - при нагревании резко увеличивается дефектность по кислороду. Сверхпроводящие свойства таких сверхпроводников существенно зависят от содержания кислорода - существует оптимальная его концентрация, при которой достигается максимальное значение Tс. Так, для слоистых соединений со структурой перовскита типа МВа2СuО7-d (где M-Y или РЗЭ) Тс = 90 К, Hс,2 1,1•108 А/м; для соединений с той же структурой, но на основе более сложных оксидов (фаз переменного состава) типа [Bi1-x(Pb,Sb)x]2Sr2Can-1CunO2n+4, Тl2Ва2Саn_1СunО2n+4 и Т1Ва2Саn-1СunО2n+3 величина Тс превышает 100 К. Последние соединения представляют собой слоистые структуры с чередующимися вдоль тетрагональной оси слоями СuО2 и комплексными анионами Bi2O4, T12O4 или Т1О3 соответственно. В элементарной ячейке сверхпроводника максимальное число слоев СuО2 n = 3. Для соед. Bi при n = 2 Тс = 70-95 К, при n = 3 Тс = 105 К, для сложных оксидов Тl соотв. 110и 130 К. Системы этого типа могут находиться в стеклообразном или кристаллоподобном состоянии.

Сверхпроводимость большинства оксидных высокотемпературных сверхпроводники связана главным образом с проводящими слоями Сu-О, роль остальных элементов сводится к сохранению нужной кристаллической структуры. В сверхпроводниках типа YBa2Cu3O7-d замена Y на др. трехвалентные РЗЭ, в т.ч. обладающие магнитными свойствами, практически не сказывается на значении Тс. В результате, например при М = Nd, Sm, Gd, Dy и Еr, сверхпроводники переходят в антиферромагнитное состояние без разрушения сверхпроводимости (антиферромагнитные сверхпроводники).

Все высокотемпературные оксидные сверхпроводники-монокристаллы с резко выраженной анизотропией электрических и магнитных свойств; по величине удельного электрического сопротивления относятся к полуметаллам. Так, в случае YBa2Cu3O7-d отношение электрического сопротивления поперек и вдоль слоев составляет около 102, в случае Bi2Sr3CaCu2Ox(- ок. 105. Значение Hс,2 для YBa2Cu3O7-d и Bi2Sr2CaCu2Ox вдоль слоев равны соотв. 1,1•108 и (21-3,1)•108 А/м, поперек слоев-2,2•107 и (1,6 — 2,3)•10 А/м; для них во внешних магнитных полях напряженностью (5-10)•108 А/м Jc 109 А/м2. Такие сверхпроводники в несверхпроводящем (нормальном) состоянии обладают проводимостью р-типа. Синтезированы также сверхпроводники со структурой перовскита, обладающие в нормальном состоянии проводимостью n-типа, например Nb2_xCeCuO4 и Рr2_xСеxСuО4, имеющие при x = 0,15 Тс =25 К.

Высокотемпературные оксидные сверхпроводники синтезируют в виде монокристаллов, объемных изделий, пленок или проволоки. Основные методы получения-методы монокристаллов выращивания, золь-гель, криохимическая, керамическая или стекольная (для беспористых сверхпроводники) технология. Сверхпроводимость синтезируемых соединений существенно зависит от наличия различных примесей, концентрации неоднородностей, пор, дефектов в кристаллах и т.п., что приводит к трудностям воспроизведения и. зачастую не позволяет реализовать предельные значения Тс, Hс или Jc.

Новым направлением в химии сверхпроводники является синтез объемных кластерных структур углерода фиксированного состава - так называемых фуллеренов, например СsxRbyС60 (Тс = 7 К, Jc = 2•1010 А/м2), К3С60 (Tc=18-30К), RbC60 (Tc = 31K), (Rb, Tl)C60 (Тс = 43 К), СlС60 (Tс = 57 К).

Основные области применения сверхпроводников - конструкционные материалы в сверхпроводящих магнитах (напр., небольших малоэнергоемких магнитов, создающих большие магнитные поля и применяемых в ускорителях элементарных частиц, устройствах магнитной левитации); материалы для создания высокочувствительных магнитометров (например, контакты Джозефсона для точного измерения напряженностей слабых магнитных и электрических полей и слабого электрического тока в аппаратах медицинской диагностики - ЯМР-томографах, магнитокардиографах, магнитоэнцефалографах); накопители магнитной энергии; материалы электропроводящих линий для получения, передачи и хранения электроэнергии.


Максверхпроводники значения Тс металлических (пунктирная линия) и оксидных (сплошная линия) сверхпроводников; штрихпунктирная линия соответствует температурам кипения возможных хладагентов.

Историческая справка. Впервые сверхпроводимость была обнаружена X. Камерлинг-Оннесом (1911) у Hg при температуре ниже 4,2 К (см. рис.). В 1974 синтезировано соединение Nb3Ge, в 1975-органические сверхпроводники полимерной структуры. Среди оксидных сверхпроводников первым был получен SrTiO3 (1964). Синтез высокотемпературных оксидных сверхпроводников начался в 1986 с открытия Дж. Беднорцем и К. Мюллером сверхпроводимости оксидов состава Lа2-хМхСuО4 (соединения такого типа впервые получены в СССР в 1979). Исследования продолжил К. By с сотрудниками, открыв сверхпроводимость в соединениях состава МВа2Сu3О7-d (1987).

Лит.: Воесовский С. В., Изюмов Ю.А., Курмаев Э. 3., Сверхпроводимость переходных металлов, их сплавов и соединений, М., 1977; Головашкин А. И., "Успехи физ. наук", 1987, т. 152, в. 4, с. 553-73; Гинзбург В. Л., Киржниц Д. А., там же, с. 575-82; Высокотемпературные сверхпроводники, под ред. Д. Нелсона, М. Уиттинхема, Т. Джорджа, пер. с англ., М., 1988; Беднорц И. Г., Мюллер К. А., "Успехи физ. наук", 1988, т. 156, в. 2, с. 323-46; "Ж. Всес. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева", 1989, т. 34, № 4; Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников, под ред. Д. М. Гипзберга, М., 1990; Электронная структура и физико-химические свойства высокотемпературных сверхпроводников, М., 1990; Bednorz J.G., Muller K.A., "Z. Physik", 1986, Bd 64, № 2, S. 189-93; Novel superconductivity, ed. by P. L. Stuart, S. A. Wolf, V.Z. Kresin, N.Y., 1987; Putilin S. N. [a. o.], "Nature", 1993. v. 362, p. 226-28.




выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


Все новости



Новости компаний

Все новости


© ChemPort.Ru, MMII-MMXVII
Контактная информация