Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) — это явление перехода вещества в сверхпроводящее состояние (с нулевым электрическим сопротивлением и эффектом Мейснера) при температурах, превышающих так называемый «азотный барьер» (77 К, или −196 °C), то есть выше температуры кипения жидкого азота. ВТСП является одним из наиболее значимых открытий в физике конденсированного состояния конца XX века, так как позволяет использовать более дешёвые и доступные криогенные жидкости (жидкий азот) вместо дорогостоящего жидкого гелия, необходимого для классических (низкотемпературных) сверхпроводников.

История открытия

Предыстория и поиски

После открытия сверхпроводимости в ртути (1911, Хейке Камерлинг-Оннес) долгое время считалось, что максимальная критическая температура (Tc) не может превышать 30 К. Теория БКШ (Бардин, Купер, Шриффер, 1957) объясняла сверхпроводимость взаимодействием электронов через фононы (колебания кристаллической решётки) и предсказывала теоретический предел Tc около 30–40 К. Однако в 1960–1970-х годах были обнаружены соединения с Tc выше 20 К (например, Nb3Ge, Tc ≈ 23,2 К), что стимулировало поиск новых материалов.

Прорыв 1986 года

Переломный момент наступил в 1986 году, когда физики Йоханнес Георг Беднорц и Карл Александр Мюллер (IBM, Цюрих) обнаружили сверхпроводимость в керамическом оксиде лантана, бария и меди (La2−xBaxCuO4) с Tc около 35 К. За это открытие они уже в 1987 году были удостоены Нобелевской премии по физике. Их работа опровергла устоявшееся мнение, что сверхпроводимость возможна только в металлах и сплавах, и открыла новое семейство — купраты.

Гонка за рекордами

В 1987 году группа под руководством Поля Чу (Хьюстонский университет) синтезировала иттрий-бариевый оксид меди (YBa2Cu3O7−δ, YBCO) с Tc = 93 К, что впервые превысило температуру кипения жидкого азота (77 К). Это сделало ВТСП технологически привлекательной: жидкий азот значительно дешевле и доступнее жидкого гелия. В последующие годы были открыты другие купраты с ещё более высокими Tc: висмут-стронций-кальций-медный оксид (Bi2Sr2Can−1CunO2n+4+x, BSCCO, Tc до 110 К) и таллий-барий-кальций-медный оксид (Tl2Ba2Can−1CunO2n+4+x, Tc до 125 К). В 1993 году был зафиксирован рекорд для купратов: ртуть-барий-кальций-медный оксид (HgBa2Ca2Cu3O8+δ) с Tc = 134 К при нормальном давлении и до 164 К под высоким давлением.

Открытие железосодержащих сверхпроводников

В 2008 году группа Хидео Хосоно (Токийский технологический институт) сообщила о сверхпроводимости в соединении LaFeAsO1−xFx с Tc = 26 К. Это открытие положило начало новому классу ВТСП — железосодержащим сверхпроводникам (пниктидам и халькогенидам). Вскоре были найдены соединения с Tc до 55 К (например, SmFeAsO0.85F0.15). Хотя их Tc ниже, чем у купратов, они обладают иными свойствами (например, более низкой анизотропией) и могут быть более удобными для практических применений.

Классификация высокотемпературных сверхпроводников

По химическому составу

Купраты (медьсодержащие оксиды) — самый многочисленный и изученный класс. Общая формула: (RE)Ba2Cu3O7−δ (RE — редкоземельный элемент), Bi2Sr2Can−1CunO2n+4+x, Tl2Ba2Can−1CunO2n+4+x, HgBa2Can−1CunO2n+2+δ. Характеризуются слоистой структурой с чередованием проводящих плоскостей CuO2 и изолирующих блоков.
Железосодержащие сверхпроводники (пниктиды и халькогениды). Содержат слои из атомов железа и мышьяка (или селена, теллура). Примеры: LaFeAsO1−xFx, BaFe2As2, FeSe.
Органические сверхпроводники (например, (BEDT-TTF)2Cu(NCS)2) — могут демонстрировать Tc до 10–15 К, но не относятся к ВТСП в строгом смысле, хотя часто рассматриваются в контексте экзотических механизмов.
Другие необычные системы (например, MgB2 с Tc = 39 К, открытый в 2001 году, формально не является ВТСП, но занимает промежуточное положение).

По механизму спаривания

Купраты и железосодержащие — считаются нетрадиционными сверхпроводниками, где спаривание электронов не описывается фононным механизмом БКШ. Предполагается, что роль «клея» играют магнитные флуктуации (спиновые волны).
MgB2 — двухзонный сверхпроводник с фононным механизмом, но с аномально высокой Tc для простого бинарного соединения.

Теоретические модели и механизмы

Проблема объяснения

Единая общепринятая теория ВТСП до сих пор не создана. Это одна из ключевых нерешённых задач физики конденсированного состояния. Основные трудности связаны с сильными электронными корреляциями и двумерным характером проводимости в купратах.

Основные гипотезы

Модель резонансных валентных связей (RVB) — предложена Филипом Андерсоном (1987). Предполагает, что в недопированном (антиферромагнитном) состоянии электроны образуют спиновые синглеты (резонирующие связи). При легировании эти синглеты становятся подвижными и формируют куперовские пары.
Спин-флуктуационный механизм — спаривание электронов происходит за счёт обмена спиновыми флуктуациями (магнонами). Эта модель хорошо объясняет d-волновую симметрию параметра порядка в купратах.
Модель «странного металла» — описывает необычные свойства нормальной (несверхпроводящей) фазы ВТСП, такие как линейная зависимость сопротивления от температуры.
Поляронные и биполяронные модели — предполагают, что носители заряда сильно взаимодействуют с решёткой, образуя поляроны, которые затем спариваются.

Экспериментальные свидетельства

Псевдощелевая фаза — область на фазовой диаграмме купратов выше Tc, где спектр электронных возбуждений имеет щель.
d-волновая симметрия параметра порядка (в отличие от s-волновой в классических сверхпроводниках) — подтверждена экспериментами по туннелированию и фазочувствительным интерферометрам.
Наличие магнитных корреляций и спиновых флуктуаций, наблюдаемых методами нейтронного рассеяния.

Свойства высокотемпературных сверхпроводников

Электрические и магнитные свойства

Нулевое сопротивление — ниже Tc электрическое сопротивление исчезает, что позволяет пропускать токи без потерь.
Эффект Мейснера — полное выталкивание магнитного поля из объёма сверхпроводника (идеальный диамагнетизм).
Критический ток — максимальный ток, который может протекать без потери сверхпроводимости. У купратов он сильно зависит от ориентации кристалла (анизотропия) и от наличия дефектов (пиннинга).
Критическое магнитное поле — поле, разрушающее сверхпроводимость. ВТСП являются сверхпроводниками второго рода, с очень высокими верхними критическими полями (Hc2 > 100 Тл).

Структурные особенности

Слоистость — кристаллическая решётка купратов состоит из чередующихся слоёв CuO2 (проводящие) и изолирующих блоков (например, BaO, BiO). Сверхпроводимость локализована в плоскостях CuO2.
Сильная анизотропия — свойства вдоль и поперёк слоёв различаются в десятки и сотни раз.
Керамическая природа — поликристаллические образцы ВТСП хрупки и имеют гранулированную структуру, что ограничивает их токонесущую способность. Для преодоления этого используются текстурированные (ориентированные) материалы и тонкие плёнки.

Применение

Энергетика и электротехника

Силовые кабели — передача электроэнергии без потерь на основе ВТСП-лент (например, из BSCCO или YBCO). В России и мире реализованы пилотные проекты линий электропередачи (например, в Санкт-Петербурге, 2013–2015 гг.).
Трансформаторы и токоограничители — использование ВТСП позволяет уменьшить размеры и массу устройств, повысить КПД.
Накопители энергии — сверхпроводящие индуктивные накопители (СПИН) для сглаживания пиков нагрузки.

Медицина

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — ВТСП-магниты позволяют создавать сильные и стабильные магнитные поля при охлаждении жидким азотом, что снижает стоимость аппаратов. Однако пока большинство МРТ использует низкотемпературные сверхпроводники (NbTi, Nb3Sn) из-за их большей надёжности.

Научные исследования

Сверхпроводящие магниты для ускорителей частиц, спектрометров, установок термоядерного синтеза (например, в проекте ИТЭР).
Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы) — высокочувствительные магнитометры на основе ВТСП, используемые в геофизике, материаловедении и биологии.

Транспорт

Маглев-поезда (на магнитной подушке) — использование ВТСП-магнитов может упростить конструкцию и снизить затраты на криогенное обеспечение. Экспериментальные образцы созданы в Японии, Китае, Германии.

Электроника и вычислительная техника

Цифровые сверхпроводящие схемы (RSFQ-логика) — на основе джозефсоновских переходов из ВТСП. Потенциально могут работать на частотах до сотен гигагерц с очень низким энергопотреблением.
Детекторы излучения — болометры и смесители на основе ВТСП для терагерцового диапазона.

Критика и ограничения

Технологические проблемы

Хрупкость и сложность изготовления — керамические ВТСП трудно обрабатывать, они требуют высокотемпературного синтеза и контролируемой атмосферы.
Гранулярность — ток между зёрнами в поликристаллах ограничен слабыми связями (джозефсоновскими переходами), что снижает критический ток.
Необходимость криогенного охлаждения — хотя жидкий азот дешевле гелия, криостаты и системы охлаждения всё ещё дороги и громоздки.
Старение и деградация — некоторые ВТСП (например, BSCCO) чувствительны к влаге и кислороду.

Фундаментальные ограничения

Отсутствие теории — непонимание механизма ВТСП затрудняет целенаправленный поиск материалов с ещё более высокой Tc.
Предел Tc — несмотря на отдельные сообщения (например, о сверхпроводимости при комнатной температуре в гидридах под давлением), ни один из известных ВТСП не работает при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Перспективы

Поиск комнатно-температурной сверхпроводимости

Наиболее амбициозная цель — создание материала, переходящего в сверхпроводящее состояние при 0 °C и выше. В 2020 году сообщалось о сверхпроводимости в углеродсодержащем гидриде серы (C-S-H) при 15 °C, но под давлением около 2,6 млн атмосфер. В 2023 году группа из Университета Рочестера заявила о сверхпроводимости в азот-замещённом гидриде лютеция (Lu-N-H) при 21 °C и давлении 1 ГПа, но результаты были поставлены под сомнение и не воспроизведены.

Развитие технологий

Промышленное производство ВТСП-лент — совершенствование методов (IBAD, RABiTS) для получения длинномерных проводников с высокими критическими токами.
Интеграция в энергосистемы — создание гибридных сетей с ВТСП-кабелями и токоограничителями.
Применение в квантовых компьютерах — использование ВТСП-джозефсоновских переходов для создания кубитов.

Источники

Беднорц, Й. Г., Мюллер, К. А. «Возможная высокотемпературная сверхпроводимость в системе La-Ba-Cu-O». Zeitschrift für Physik B, 1986.
Чу, П. и др. «Сверхпроводимость выше 90 К в соединении Y-Ba-Cu-O». Physical Review Letters, 1987.
Хосоно, Х. и др. «Железосодержащие сверхпроводники с Tc = 26 К в LaFeAsO1−xFx». Journal of the American Chemical Society, 2008.
Андерсон, П. В. «Резонансные валентные связи и высокотемпературная сверхпроводимость». Science, 1987.
Садовский, М. В. «Высокотемпературная сверхпроводимость: современное состояние и перспективы». Успехи физических наук, 2000.
Леггетт, А. Дж. «Теория высокотемпературной сверхпроводимости: проблемы и достижения». Reviews of Modern Physics, 2006.
Гинзбург, В. Л. «Сверхпроводимость: от открытия до наших дней». Наука, 1991.
Диа, Д. и др. «Сверхпроводимость при комнатной температуре в углеродсодержащем гидриде серы». Nature, 2020.
Даш, С. и др. «Сверхпроводимость в азот-замещённом гидриде лютеция при комнатной температуре». Nature, 2023 (критический анализ).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →