СВЕРХПРОВОДНИКИ

СВЕРХПРОВОДНИКИ, вещества, у к-рых при охлаждении ниже определённой критич. темп-ры Т_к электрич. сопротивление падает до нуля, т. е. наблюдается сверхпроводимость. За исключением Си, Ag, Au, Pt, щелочных, щелочноземельных и ферромагнитных металлов, большая часть остальных металлич. элементов является С. (см. Металлы). Элементы Si, Ge, Bi становятся С. при охлаждении под давлением. В сверхпроводящее состояние может переходить также неск. сот металлич. сплавов и соединений и нек-рые сильно легированные полупроводники. Следует отметить, что существуют сверхпроводящие сплавы, в к-рых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются С. Значения Т_к почти для всех известных С. лежат в диапазоне темп-р существования жидкого водорода и жидкого гелия (темп-pa кипения водородаТ_кип = 20,4 К).

Вторым важнейшим параметром, характеризующим свойства С., является величина критического магнитного поля Н_к, выше к-рого С. переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. С ростом темп-ры значение Нк монотонно падает и обращается в нуль при Т >= Т_к. Макс, значение Нк = Но, определённое из экспериментальных данных путём экстраполяции к нулю абсолютной температурной шкалы, для ряда С. приведено в таблице.

Самой высокой из известных (1974) Т_к обладает соединение Nb₃Ge, приготовленное по спец. технологии.

Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, совр. теория не даёт возможности рассчитать значения Т_к или Н_к для известных С. или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако в результате накопления экспериментального материала был установлен ряд эмпирич. закономерностей, позволяющий определить направление поисков сплавов с высокими Тк и Нк. Важнейшие из этих закономерностей, известные под названием правил Маттиаса (установлены Б. Т. Маттиасом, США, 1955), сводятся к следующему: наибольшая Т_кнаблюдается у сплавов с числом z валентных электронов на атом ~3, 5, 7, причём для каждого г предпочтительней свой тип кристаллич. решётки. Кроме того, Т_к растёт с увеличением объёма и падает с ростом массы атома. По своим магнитным свойствам все С. разделяются на две группы: С. 1-го рода, для к-рых проникновение магнитного поля Н в сверхпроводник цилиндрической формы, расположенный вдоль поля, происходит скачком одновременно с появлением электрич. сопротивления при Н >=Н_к; С. 2-го рода, для к-рых проникновение продольного магнитного поля в аналогич. условиях начинается в значительно меньших полях (до появления сопротивления). Соответственно для С. 2-го рода различают нижнее критич. поле Н_к1, при к-ром начинается проникновение магнитного поля, и верхнее критич. поле Нк₂, при к-ром магнитное поле полностью проникает в объём С., а электрич. сопротивление приобретает значение, характерное для нормального состояния. (В таблице для С. 2-го рода приведены значения Нк₂.) С. 1-го рода являются все чистые сверхпроводящие металлы, за исключением V и Nb, и нек-рые сплавы с низким содержанием одного компонента. Группа С. 2-го рода более многочисленна. Сюда относится большинство соединений с высокими Т_к, таких как V₃Ga, Nb₃Sn, и сплавы с высоким содержанием легирующих примесей.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние и критическое магнитное поле для ряда металлов, полупроводников, сплавов

и соединений

Вещество

Критич. темп-ра Тк, К

Критич. поле Но, э

Сверхпроводники

1-го

рода

Свинец

7,2

800

Тантал

4,5

830

Олово

3,7

310

Алюминий

1,2

100

Цинк

0,88

53

Вольфрам

0,01

1,0

Сверхроводники

2-го рода

Ниобий

9,25

4000

Сплав 65 БТ (Nb-Ti-Zr)

9,7

~100000

Сплав NiTi

9,8

~100000

V3Ga

14,5

~350000

Nb3Sn

18,0

~250000

(Nb₃Al)4Nb₃Ge

20,0

-

Nb3Ge

23

-

GeTe*

0,17

130

SrTiO₃*‘

0,2-0,4

"300

Pb_1,oMo_5,1S₆

"15

"600000

* Выше Т_к эти соединения - полупроводники. 1 э= 79,6 а/м.

Среди С. 2-го рода выделяют группу жёстких сверхпроводников. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), к-рые возникают благодаря спец. технологии изготовления. В жёстких С. движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис. По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрич. токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Нк₂ полей при любой ориентации тока и магнитного поля.

Следует отметить, что в идеальном С., полностью лишённом дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длит. отжига сплава), при любой ориентации поля и тока, за исключением продольной, сколь угодно малый ток будет сопровождаться потерями на движение магнитного потока уже при Н > Н_к1. Нижнее критич. поле H_K1обычно во много раз меньше Н_К2. Поэтому именно жёсткие С., у которых электрич. сопротивление практически равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технич. приложений. Их применяют для изготовления обмоток магнитов сверхпроводящих и др. целей. Существенным недостатком жёстких С. является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям с самыми высокими значениями Т_к и Н_к типа V₃Ga, Nb₃Sn, Pb_1,oMo_5,1S₆. Изготовление сверхпроводящих магнитных систем из этих материалов представляет собой сложную технологич. задачу.

Лит.: Сверхлроводящие материалы. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1965; Металловедение сверхпроводящих материалов, М., 1969.

И. П. Крылов.