Южда Ю.В.

(НТУУ “КПІ”, м. Київ)

ДОСЛІДЖЕННЯ НАДПРОВІДНОСТІ У СПОЛУЦІ YBa₂Cu₃O₇ ЗА ЕФЕКТОМ МЕЙСНЕРА

Надпровідність – надзвичайно цікаве й деякою мірою загадкове фізичне явище, практичне застосування якого має принести людству незліченні здобутки. Надпровідний струм є бездисипативним, тобто при протіканні постійного струму в надпровіднику не виникають звичайні резистивні втрати. Це причина, завдяки якій використання надпровідних пристроїв  виявляється одним з найбільш важливих і перспективних шляхів енергозбереження. Оцінки показують, що застосування надпровідності дозволить зменшити втрати під час генерації, передачі, трансформації та використанні електроенергії з приблизно 30-35% до 1-2%, що рівнозначне побудові кількох нових потужних електростанцій в Україні.  Сьогодні надпровідність - це одна з найбільш досліджуваних областей фізики, явище, що відкриває перед інженерною практикою серйозні перспективи. В наш час розширюється використання явища надпровідності для турбогенераторів, електродвигунів, уніполярних машин, топологічних генераторів, жорстких і гнучких кабелів, комутаційних пристроїв, магнітних сепараторів, транспортних систем і багато іншого. Слід також відзначити важливий напрям в роботах по надпровідності - створення вимірювальних пристроїв для вимірювання температур, витрат, рівнів, тиску і т.д.

Механізм надпровідності

Механізм надпровідності відповідає закономірностям взаємодії часинок у плазмі. Протилежні за кольоровим зарядом електрони притягуються і утворюють зв’язаний стан у вигляді  нових квантових частинок комптоновських розмірів.

Частинки вібрують з ленгмюровскою хромоплазменною частотою, дебаївської амплітуди і одночасно розсіюються одна на одній. Розсіювання відбувається під кутом, тому періодично виникає кутовий момент і, відповідно, імпульсне обертання навколо центра розсіювання. Центробіжна сила виталкує частинки у вільний простір кристалу, де вони зосереджуються, утворюючи зону надпровідності  у вигляді канала з вігнерівською структурою. Електронні струни є двухмірними об’єктами. За допомогою електронних струн забезпечується хімічний зв’язок та двухмірна структура матеріалу в графені, а у ВТНП – яскраво виражена шарова структура. В КТНП характерна структура мікроплазменних каналів, утворених електронними надпровідними струнами. Якщо до мультиелектрона, який знаходиться у надпровідному каналі, прикласти електричне поле, то вони забезпечують напрямний рух заряду без опору, тобто утворює надструм. Щоб виникли мультиелектрони потрібні спеціальні умови. Наприклад, можна створити провідник у вигляді шарів металу та  ізолятору. Тоді такий провідник стає надпровідником без охолодження.

Критерій надпровідності

Енергія зв’язку мультичастинки визначається балансом сил відштовхуючих і притягання. Особливості механізму утворення її такі, що кольоровий і центробіжний короткодіючі потенціали постійні, а утворення зв’язаного стану залежить тільки від величини дальнодіючого ефективного кулонівського заряду електрона. Максимальне значення цього заряду, при якому еще спостерігається зв’язаний стан частинок, визначається з указаного балансу і дорівнює q(me)=1/41e , що менше 2e. Таким чином, два електрони зі спільним зарядом 2e в звичайних умовах не утворюють зв’язану куперівську пару. Встановлене критичне значення ефективного заряду q(me) < 1.41e є першою умовою надпровідності. Другою умовою цього критерію є значення відстані між me у вігнерівській структурі надпровідного каналу.

Воно має бути таким, щоб орбіталі перекривалися і забезпечувалася телепортація від частинки до частинки. Крім того, повинна бути забезпечена автономність структури Вігнера (електронної підрешітки), як досягається при q(me)>1e і визначається по різкому зменшенню фононних коливань( аномалія Кона).

Виготовлення надпровідника YBa₂Cu₃O₇

1.13 г оксиду ітрію, 3,95 г вуглекислого барію, 2,39 оксиду міді змішати в ступці, отриману суміш відпалити при 950град протягом 12 год. Охолодити і знову змішати в ступці. Спресувати порошок в таблетки і знову відпалити при тій самій температурі протягом того ж часу, тільки тепер з обов’язковою подачею кисню в піч. Повільно охолодити таблетки (100град/год). Вказана кількість вихідних компонентів дозволяє отримати близько 7 г надпровідника Y-Ва-Сu-О, і приблизно 5 таблеток діаметром 1 см і товщиною 1 мм. Бажано отримати матеріал з формулою YBa₂Cu₃O₇.

Ефект Мейснера — це явище швидкого затухання магнітного поля в надпровіднику. Надпровідник є ідеальним діамагнетиком. У магнітному полі в надпровіднику індукуються макроскопічні струми, які створюють власне магнітне поле, що повністю компенсує зовнішнє. Це явище, відкрите в 1933 році німецькими фізиками Вальтером Мейснером та Робертом Охзенфельдом, отримало назву ефекта Мейснера.  Ефект Мейснера руйнується в сильних магнітних полях. В залежності від типу надпровідника надпровідний стан при цьому або зникає повністю (так звані надпровідники першого роду), або ж надпровідник розбивається на нормальні й надпровідні області (надпровідники другого роду).

На рисунке 1 изображена зависимость сопротивления YBa₂Cu₃O₇ от температуры.
На рисунке 2 изображено кристаллическое строение YBa₂Cu₃O₇.

Джерела:

1. Dirk van Delft and Peter Kes The Discovery of superconductivity (англ.) // Physics Today. – 2010. – Vol. 63. – P. 38-43;
2. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, S. I. Shylin. Conventional superconductivity at 203 Kelvin at high pressures in the sulfur hydride system (англ.) // Nature. – 2015;
3. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Глава 1. Открытие сверхпроводимости // Сверхпроводимость. – 2-е издание, переработанное и дополненное. – Альфа-М, 2006.