Сверхпроводники

3.1. Бикристаллические границы зерен Y-123
Измерения критического тока между зернами различной формы и окружающей их матрицей являются наиболее убедительным доказательством анизотропии  , но не могут быть объяснены d -волновой симметрией  .

3.2. Контакты между Pb и Y-123 по оси c
Имеющиеся в литературе данные говорят о том, что s -волновая компонента составляет по крайней мере 30% от  . Какую симметрию имеют остальные 70%  , на основании этих экспериментов сказать нельзя. Не исключено, что и d -волновую.

3.3. Контакты между Pb и Y-123 в плоскости a-b
Обнаружен сдвиг фаз на  , что считается доводом в пользу d -волновой симметрии. Однако есть и другое возможное объяснение: захват магнитного потока на краях образца (что и подтвердили недавние эксперименты, выполненные с помощью СКВИДа). Была сделана попытка устранить захваченный магнитный поток. Она оказалась удачной, а полученные при этом результаты добавили уверенности сторонникам d -волновой симметрии. Однако более тщательные повторные эксперименты лучше всего могут быть объяснены p -волновой (!) симметрией, хотя их авторы и делают вывод о d -волновом спаривании, "отбрасывая" при этом, по утверждению R.Klemm'а, большую часть данных.

3.4. Контакты на границах двойников
Зарегистрирован сдвиг фазы s -волновой компоненты (единственной, наблюдаемой в этих экспериментах) на  при пересечении границы двойника. Из этого был сделан вывод, что по разные стороны от границы  имеет (d +s )-волновую и (d -s )-волно-вую форму. Но разве можно на основании изменения фазы s -волновой компоненты заключать, что в  есть еще и d -волновая составляющая? Кроме того, интерпретация эксперимента осложняется возможным наличием на границе двойника локализованной волны спиновой/зарядовой плотности.

3.5. Трикристаллические границы зерен Y-123
Экспериментальные данные согласуются с d -волновым сценарием, однако и здесь не исключен паразитный эффект от магнитного потока, захваченного между слоями CuO₂ . Кроме того, на интерпретацию эксперимента влияет "извилистость" двойниковых границ, о чем свидетельствует просвечивающая электронная микроскопия.

3.6. "Внутренние" джозефсоновские контакты
Контакты между параллельными слоями CuO₂ в ВТСП представляют собой "внутренние" (intrinsic) джозефсоновские контакты. Информацию об их характеристиках можно получить, анализируя ВАХ. Результаты должны зависеть от симметрии  . Имеющиеся на сегодняшний день данные говорят в пользу s -волновой симметрии.

3.7. Контакты на границе разлома
Если расколоть монокристалл ВТСП на две половинки вдоль проводящих кристаллографических слоев, а затем повернуть одну из половинок на некоторый угол a и вновь прижать эти половинки друг к другу, то можно ожидать наличие зависимости I_c такого контакта от  . В частности, для d -волнового сверхпроводника должно быть I_c =0 при a =45⁰ . Однако на эксперименте зависимости I_c от  не было обнаружено.

Выводы
Эксперименты очень противоречивы. Одни могут быть лучше всего объяснены d -волновой симметрией  , другие - s -волновой, третьи - смешанной (d +s )-волновой симметрией с существенным вкладом каждой волны. Пока даже не ясно, одинакова ли симметрия  во всех ВТСП или же различна. Не исключено, что во многих экспериментах параметры зарядового и/или спинового порядка могут быть ошибочно приняты за сверхпроводящий параметр порядка.

Для тех, кто хочет подробнее ознакомиться с состоянием экспериментальных исследований по затронутой проблеме, отметим, что работа R.Klemm'а содержит cсылки на все ключевые эксперименты.

Команда Лихарева из Stony Brook изготовила самую быструю в мире схему
Сотрудники State University of New York (Stony Brook, США) продемонстрировали устойчивую работу цифрового делителя частоты до частот 750ГГц при рассеиваемой мощности 10мкВт (рабочая температура 1.8К). Это - самая быстрая из известных твердотельных цифровых схем. Полупроводниковые схемы с аналогичными функциями, по крайней мере, на порядок медленнее и рассеивают в 10⁵ (!) раз большую мощность. Работа схемы основана на принципах RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) логики, обеспечивающих максимальное для сверхпроводниковых схем быстродействие. На одном чипе размещены 8 делителей частоты, каждый из которых включает 68 джозефсоновских переходов (Nb/AlO_x /Nb) с площадью каждого - 0.25мкм² при толщине электродов 150нм. Схема изготовлена с применением электронно-лучевой литографии для формирования рисунка. Разброс параметров переходов не превышает ± 10% (при этом в RSFQ схемах принципиально допускается 30% разброс). Схема содержит переходы с резистивным шунтом (J_c =0.5мА/мкм² , I_c R_n =1.8мВ) и нешунтированные (J_c =2мА/мкм² ).

Кавитация Евгения Подклетнова
В 1899 году в романе “Путешествие на Луну” (“The First Men in the Moon”) Герберт Уэлс рассказал о том, как ученый Кавор открыл некоторое антигравитирующее вещество в виде минеральной пасты и назвал его каворитом. Покрыв им поверхность сферы, он отправился с друзьями на Луну. Российский ученый Е.Подклетнов претендует на открытие в наши дни реального каворита в виде сверхпроводящего материала YBCO. Схема установки, на которой в 1992г. в Финляндии Е.Подклетнов наблюдал уменьшение веса образца, размещенного над вращающимся в переменном магнитном поле сверхпроводящим диском, представлена на рисунке. Без вращения потеря в весе составляла 0.05%. Максимальная потеря в весе при вращении диска составляла 0.3%.

<>С тех пор не удается ни надежно подтвердить этот эффект, ни надежно его закрыть. Было проведено множество экспериментов, которые давали попеременно то положительный, то отрицательный результат. NASA выделила большие деньги на проведение эксперимента и для консультаций пригласила самого автора, но итог пока отрицательный. Главная сложность состоит в том, что изменение веса настолько мало, что трудно избежать посторонних воздействий. Кроме того, сам Подклетнов упирает на особую структуру полученного материала, которую трудно воспроизвести.

Как бы то ни было, большинство физиков скептически восприняло результаты Подклетнова, основываясь на положениях общей теории относительности, согласно которой гравитация вообще не сила, а искривление 4-х мерного пространства-времени, что является следствием совпадения гравитационного заряда с инерционной массой.

Но самое поразительное в этой истории то, что еще до опыта Подклетнова Li и Torr опубликовали две работы, в которых предсказывали генерацию гравитации при вращении сверхпроводящего диска в переменном магнитном поле.

За дальнейшим развитием событий можно проследить на странице в Интернете:

inetarena/~noetic/pls/gravity/html

Превращение тепловой энергии в электрическую в неоднородном сверхпроводящем кольце
Хотелось бы обратить внимание читателей ПерсТ'а на интересный результат работы [1], в которой рассматривается эффект Литтла-Паркса в неоднородном сверхпроводящем кольце. Еще в 1962 году Литтл и Паркс [2] обнаружили, что температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока) зависит от величины магнитного потока. Этот эффект был объяснен М.Тинкхамом [3], как одно из проявлений макроскопической квантовой природы сверхпроводимости (см. также [4]). Периодическое смещение критической температуры связано с квантованием скорости сверхпроводящих электронов, аналогично тому, как это имеет место в атоме. Скорость стремится приобрести минимально возможное значение. При потоке внутри цилиндра, кратном кванту потока, минимально возможное значение скорости равно нулю. Но при потоке, не кратном кванту, скорость не может быть равна нулю. Это приводит к зависимости энергии сверхпроводящего состояния от потока и, как следствие, к периодическому смещению критической температуры в магнитном поле. Это смещение имеет заметную величину в кольце (цилиндре), радиус которого сравним с корреляционной длиной [4].

М.Тинкхам [3] рассматривал однородное кольцо. В случае неоднородного кольца, один участок которого имеет пониженную критическую температуру в сравнении с другим [1], вследствие термодинамических флуктуаций на участке с меньшим Т_с при температурах, соответствующих резистивному переходу этого участка, появляется напряжение, величина которого периодически зависит от величины потока внутри кольца, с периодом, равным кванту потока. При переходе в сверхпроводящее состояние участка с наименьшей Т_с в кольце возникает ток фиксированного направления, а при обратном переходе в нормальное состояние на рассматриваемом участке появляется напряжение, так как вследствие конечной индуктивности кольца ток не может затухнуть мгновенно. При периодическом или хаотическом переводе участка с наименьшим Т_с из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно на нем возникнет напряжение с постоянной составляющей, зависящей периодически от величины магнитного потока внутри кольца. Итак, сверхпроводящее кольцо является тепловой машиной, в которой тепловая энергия может быть преобразована в электрическую энергию постоянного тока. Без учета флуктуаций максимальный коэффициент полезного действия тепловой машины, реализуемый в цикле Карно, пропорционален амплитуде изменения температуры [5].

Однако переход из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно может происходить и без изменения температуры вследствие флуктуаций, если разность энергий рассматриваемого участка в нормальном и сверхпроводящем состояниях не превышает k_B T. Это возможно вблизи критической температуры, так как при Т=Т_с эта разность равна нулю. Следовательно, постоянное напряжение может возникать в неоднородном сверхпроводящем кольце и при постоянной температуре, близкой к критической. Авторы дают подробное объяснение необычному явлению.

A.V.Nikulov and I.N.Zhilyaev, "The Little-Parks Effect in an Inhomogeneous Superconducting Ring." J. of Low Temp.Phys. 1998,112 (3/4), p.227-236

W.A.Little and R.D.Parks, Phys.Rev.Lett.,1962, 9 , p.9

M.Tinkham, Phys.Rev. 1963,129 , p.2413

М.Тинкхам, Введение в сверхпроводимость. Атомиздат М.1980

Ч.Киттель, Статистическая термодинамика. "Наука", М., 1977

Резкий рост критической температуры "нового" ВТСП PrBa₂ Cu₃ O_x под давлением
В течение очень длительного времени после открытия ВТСП в 1986 году господствовало мнение, что соединение PrBa₂ Cu₃ O_x является "несверхпроводящим исключением" из ВТСП-серии ReBa₂ Cu₃ O_x (Re - редкоземельный элемент). Какие только версии не выдвигались для объяснения этого "факта": разрыв куперовских пар магнитными моментами атомов празеодима, уменьшение концентрации носителей заряда или их локализация и т.д. Эти споры закончились в 1996 году после открытия сверхпроводимости в тонких пленках PrBa₂ Cu₃ O_x [1] и его последующего подтверждения другими авторами [2]. Сверхпроводимость наблюдалась также и в монокристаллах PrBa₂ Cu₃ O_x [3]. Причина того, почему один из двух (одинаковых на первый взгляд) образцов PrBa₂ Cu₃ O_x является полупроводником, а другой - сверхпроводником, пока однозначно не установлена, хотя и выяснено, что их структуры несколько различаются (но весьма незначительно).

В этом году PrBa₂ Cu₃ O_x преподнес очередной сюрприз. Японские физики из National Research Institute for Metals, Electrotechnical Laboratory и Ibaraki University исследовали влияние высокого давления P на T_c монокристалла PrBa₂ Cu₃ O_x с различным содержанием кислорода [4,5]. Величина T_c определялась по нулю электросопротивления и при P =0 составляла 56.5 и 81К для x = 6.6 и 6.8 соответственно. Увеличение P привело к резкому росту T_c образца с x = 6.6. На начальном этапе скорость роста T_c составляла dT_c /dP = 7.4К/ГПа. При P = 9.3ГПа (максимальное давление в этом эксперименте) величина T_c возросла до 105К, причем производная dT_c /dP при таких высоких давлениях хоть и уменьшилась, но осталась положительной, то есть максимум T_c еще не был достигнут. Этот результат резко контрастирует с данными для ВТСП YBa₂ Cu₃ O_x , у которого при x = (6.8 ? 7) величина T_c почти не зависит от P и остается на уровне около 90К вплоть до P = 10ГПа. По мнению авторов [4,5] причина разного отклика PrBa₂ Cu₃ O_x и YBa₂ Cu₃ O_x на высокое давление кроется в различном характере распределения носителей заряда между структурными единицами элементарной ячейки и, соответственно с его различным перераспределением под давлением. Интересно, что T_c монокристалла PrBa₂ Cu₃ O_x с x = 6.8 увеличивается под давлением не так быстро, как при x = 6.6, хотя и превышает 100К при P = 10ГПа.

H.A.Blackstead et al., Phys. Rev. B 54, 6122 (1996)

T.Usagawa et al., Jpn. J. Appl.Phys. (Part 2) 36, L1583 (1997)

Z.Zou et al., Jpn. J. Appl.Phys. (Part 2) 36, L18 (1997)

Z.Zou et al., Phys. Rev. Lett. 80, 1074 (1998)

J.Ye et al., Phys. Rev. B 58, 619 (1998)

Круглов нашел заменитель золота
Оговоримся, что в данном случае речь идет только о ВТСП токовводах. Металлическая оболочка для ВТСП токовводов является предметом озабоченности и технологов, и конструкторов. На сегодня ее оптимальный состав состоит из серебра с 10%(!) золота. Дорого. А новую более дешевую оболочку ждут 1кА токовводы, разработанные тандемом Кейлин-Шиков (см. ПерсТ, выпуск 7 текущего года). Поиском “заменителя золота” упорно занимались В.С.Круглов (ИСФТТ РНЦ КИ) и И.И.Акимов (ВНИИНМ). И, как видно из представленной ниже таблицы, их поиск завершился успехом. Даже 1% найденного заменителя достаточно, чтобы составить здоровую конкуренцию золотосодержащим сплавам.

Известно, что токовводы – одно из (очень!) не многочисленных рыночных ресурсосберегающих ВТСП изделий. По оценкам, применение ВТСП токоввода увеличивает на 70% ресурс холодильного устройства. В конструкциях токовводов из нормального металла существует два механизма теплопритока в холодильник – джоулево тепло (особенно в длинных и тонких конструкциях) и теплопроводность (особенно в толстых и коротких конструкциях). ВТСП токоввод исключает часть теплопритока, обусловленную джоулевым теплом (во всяком случае, в наиболее критической низкотемпературной части токоввода). Этот факт сильно развязывает руки конструктору, допуская длинные и тонкие конструкции. Однако, все ВТСП составы - очень хрупкие, для придания прочности и гибкости их необходимо заключать в соответствующую оболочку. Известна также привязанность ВТСП составов к хорошо теплопроводящему серебру или сплавам на его основе. В частности, для оболочки токовводов, как правило, используются сплавы Ag+N%Au. Поиски заменителя серебра пока не найдены, но вот для золота, похоже, нашли. Из предложенного В.С.Кругловым и И.И.Акимовым сплава Ag+1%X уже изготовлена стандартная трубка, которая будет служить оболочкой для получения протяженного куска ВТСП ленты. Подождем дальнейших результатов.

Продвижение накопителей в энергосистему штата Каролина
Недавно подписано соглашение между American Superconductor Corp. (ASC) и Carolina Power & Light (CP&L) о поиске решений, основанных на использовании сверхпроводниковых магнитных накопителей электроэнергии (SMES’ов) для промышленных линий электропередач. Неблагоприятные погодные условия, инциденты на транспорте и непредсказуемый выход из строя оборудования может приводить к перерывам в подаче электроэнергии или к скачкам напряжения в сети. Согласно оценкам, такие выходы из строя в электросети обходятся американской промышленности ежегодно в миллиарды долларов за счет повреждения оборудования и прерывания непрерывных производственных циклов. Ситуацию могут в корне изменить сверхпроводниковые накопители. Серию таких накопителей (SMES’ов) на основе электромагнитов из низкотемпературных сверхпроводников на разные диапазоны мощности выпускает ф. ASC. Ее продукция размещается на портативном трейлере длиной около 12м. Используемая мощная электроника “чувствует” мгновенное перераспределение мощности в сети и в течение 2 сек переключает сеть на питание от накопителя. После стабилизации электрической мощности в сети осуществляется обратное переключение. В текущем году ф. ASC успешно внедрила в НТСП накопители ВТСП токовводы, уменьшив ежегодные эксплуатационные расходы для потребителя на 55%.

В рамках подписанного соглашения ф. CP&L, электросистемой которой пользуются более 1млн жителей штата Каролина, берет на себя маркетинговые услуги по продвижению накопителей, а
ф. ASC – поставку устройств, обучение персонала и техническую поддержку эксплуатации накопителей.

Для более полной информации контакт:
Kathy Cadigan
Corporate Communications,
American Superconductor Corporation,
Two Technology Drive,
Westborough, MA 01581;
phone (508) 836-4200 ext. 222.

Споры о биполяронной сверхпроводимости в ВТСП
Электрон-фононное взаимодействие проявляет себя по-разному: от сравнительно слабой перенормировки массы носителей заряда (в металлах) до формирования почти локализованных квазичастиц (в ионных кристаллах и оксидах). Такие квазичастицы называют поляронами малого радиуса . Концепция полярона восходит еще к работам Ландау начала 30-х годов. Полярон образуется вследствие сильного взаимодействия электрона с акустическим или локальным фононом (то есть с искажением кристаллической решетки, локализованным на расстоянии порядка размера одной элементарной ячейки).

Для того чтобы объяснить некоторые необычные свойства халькогенидов, Ф.Андерсон в 1975 году ввел понятие биполярона малого радиуса [1]: квазичастицы, представляющей собой два электрона, локализованных в непосредственной близости друг от друга. Причиной образования биполярона является (как и для полярона) сильное локальное искажение решетки электронами. Значительный вклад в науку о биполяронах внес известный французский физик Б.Чакраверти, который сначала в рамках биполяронной теории объяснил ряд необычных свойств оксида Ti_4-x V_x O₇ [2], а затем показал, что при увеличении константы электрон-фононного взаимодействия основное состояние системы большого числа электронов непрерывным образом эволюционирует от сверхпроводящего состояния типа БКШ к диэлектрическому состоянию, в котором куперовские пары локализованы в форме массивных биполяронов.

Хотя открытие высокотемпературной сверхпроводимости Дж.Беднорцем и К.Мюллером в 1986 году обязано отчасти "поляронной идеологии" (два упомянутых нобелевских лауреата полагали, что медно-оксидные соединения могут иметь высокую критическую температуру T_c вследствие наличия в них поляронов), в те годы вопрос о бозе-эйнштейновской конденсации биполяронов как причины высокотемпературной сверхпроводимости всерьез не рассматривался. Однако еще в 1981 году А.Александров и Д.Раннингер опубликовали статью [4], где выдвинули идею, что биполяроны малого радиуса могут рассматриваться как подвижные бозоны, которые могут переходить в сверхтекучее состояние, то есть образовывать бозе-конденсат. В то время эта работа считалась методической. Но несколько лет спустя один из ее авторов (А.Александров) и известный английский теоретик Н.Мотт на полном серьезе заявили, что высокотемпературная сверхпроводимость есть не что иное как бозе-конденсация биполяронов малого радиуса [5,6]. В пользу такого сценария сверхпроводимости ВТСП свидетельствовала, по их мнению, низкая (~ 10²¹ см^-3 ) концентрация носителей заряда и малая (~ нескольких нанометров) длина когерентности.

Такое "обобщение" теории биполяронной сверхпроводимости на ВТСП вызвало резкое возражение со стороны Б.Чакраверти (одного из основоположников теории биполяронов [2,3]) и Д.Раннингера (соавтора А.Александрова по работе [4], с которой все начиналось). Их аргументы приведены в недавно опубликованной работе [7] (отметим, что "терпели" они довольно долго - несколько лет). Этих аргументов несколько, но все они имеют одинаковую


29-04-2015, 02:00