Кіріспе

Суперөткізгіштік – кейбір материалдардың белгілі бір температурадан төмен нөлдік электр кедергісін көрсетуі және магниттік өрістерді ығыстыру құбылысы. Суперөткізгіштіктің тарихы 1911 жылы голланд физигі Хайке Камерлинг Оннестің сынапты зерттеп, суперөткізгіштік құбылысын ашуымен басталды. Одан бері көптеген басқа суперөткізгіш материалдар ашылды және суперөткізгіштік теориясы дамыды. Бұл тақырыптар конденсирленген заттар физикасы саласындағы белсенді зерттеу нысаналары болып табылады. Суперөткізгіштікті зерттеудің қызықты тарихы бар, осы саладағы жарияланымдар мен патенттеу белсенділігін күрт үдеткен бірнеше маңызды жаңалықтар болды, бұл оң жақтағы суретте көрсетілгендей және төменде егжей-тегжейлі сипатталғандай. 100 жылдан астам тарихында суперөткізгіштік туралы патенттік емес жарияланымдар саны жылына патенттік отбасылар санынан 10 есе артық болды, бұл коммерциялық сәттілікке жете алмаған технологияның ерекшелігі (суперөткізгіштіктің технологиялық қолданылуына қараңыз).

Өте суық құбылыстарды зерттеу (1908 жылға дейін)

Джеймс Дьюар төмен температурадағы электр кедергісін зерттеуді бастады. Дьюар мен Джон Амброз Флеминг абсолютті нөлде таза металдардың мінсіз электромагниттік өткізгіштерге айналатынын болжады (бірақ кейін Дьюар кедергінің жоғалуы туралы пікірін өзгертті, әрқашан қандай да бір кедергі болады деп сенді). Уолтер Герман Нернст термодинамиканың үшінші заңын жасап, абсолютті нөлге қол жеткізу мүмкін емес екенін мәлімдеді. Карл фон Линде мен Уильям Хэмпсон, екеуі де коммерциялық зерттеушілер, газдарды сұйыту үшін Джоуль-Томсон эффектісіне патент алуға шамамен бір уақытта өтініш берді. Линденің патенты 20 жылдық жүйелі зерттеудің нәтижесінде, регенеративті қарсы ағын әдісін қолданып, белгілі фактілерді зерттеудің шыңы болды. Хэмпсонның жобалары да регенеративті әдіс негізінде жасалған. Бұл процесс Хэмпсон-Линде сұйыту процесі деп аталды. Оннес зерттеулері үшін Линденің машинасынан сатып алды. 1900 жылдың 21 наурызында Никола Теслаға электр тербелістерінің қарқындылығын арттыру үшін температураны төмендету арқылы қол жеткізуге болатын құралға патент берілді, бұл төмендеген кедергіге байланысты болды. Бұл патентте төмен температурадағы резонанстық тізбектің электр тербелістерінің күшейтілген қарқындылығы мен ұзақтығы сипатталған. Тесла Линденің машинасының салқындатқыш заттар алу үшін қолданылатынына сенгені айтылады. 1908 жылдың 10 шілдесінде Нидерландыдағы Лейден университетінде Хайке Камерлинг Оннес алғаш рет атмосфералық қысымда қайнау температурасы төмен гелийді сұйытылған күйде өндірді.

Кенеттен және түпкілікті жоғалу

Хайке Камерлинг Оннес пен Джейкоб Клей Девардың төмен температурадағы кедергінің төмендеуі жөніндегі бұрынғы тәжірибелерін қайта зерттеді. Оннес зерттеулерді платина мен алтыннан бастады, кейінрек оларды сынаппен (тазалауға оңай материал) алмастырды. Оннес қатты сынаптың кедергісін криогендік температурада зерттеу үшін суытқыш ретінде сұйық гелийді пайдаланды. 1911 жылғы 8 сәуірде сағат 16:00-де Оннес «Kwik nagenoeg nul» деп жазды, бұл «сынаптың кедергісі дерлік нөлге жуық» дегенді білдіреді. 4,19 К температурада ол кедергінің күрт жоғалып кеткенін байқады (Оннес қолданған өлшеу құралы ешқандай кедергіні көрсетпеді). Оннес 1911 жылы «Сынаптың кедергісінің күрт жоғалу жылдамдығы туралы» деген мақаласында зерттеулерін жариялады. Оннес сол мақалада «ерекше кедергі» обыкновен температурадағы ең жақсы өткізгіштен мың есе аз болатынын мәлімдеді. Кейін Оннес процесті кері қайтарып, 4,2 К температурада кедергінің материалға оралғанын анықтады. Келесі жылы Оннес осы құбылыс туралы тағы да мақалалар жариялады. Бастапқыда Оннес бұл құбылысты «супражетектегіштік» (1913) деп атады, ал кейін ғана «суперөткізгіштік» терминін қабылдады. Осы зерттеулері үшін ол 1913 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Оннес 1912 жылы суперөткізгіштіктің қолданылу мүмкіндігін зерттеу үшін тәжірибе жүргізді. Оннес суперөткізгіш сақинаға электр тогын жіберіп, оны жасаған батареяны алып тастады. Электр тогын өлшегенде, Оннес оның күші уақыт өте келе азаймағанын анықтады. Ток өткізгіш ортаның суперөткізгіш күйіне байланысты сақталды. Келесі онжылдықтарда суперөткізгіштік басқа бірнеше материалдарда да табылды: 1913 жылы қорғасын 7 К-та, 1930 жылдары ниобий 10 К-та, ал 1941 жылы ниобий нитриді 16 К-та.

Аң-таңбалар мен олардың шешімдері (1933-1979)

1933 жылы суперөткізгішті түсінудегі келесі маңызды қадам жасалды, ол кезде Уолтер Мейснер мен Роберт Оксенфельд суперөткізгіштердің сыртқы магнит өрісін ығыстыратынын ашты, бұл құбылыс Мейснер эффектісі деп аталды. 1935 жылы Фриц Лондон және Хайнц Лондон ағайындары Мейснер эффектісінің суперөткізгіш токпен тасымалданатын электромагниттік еркін энергияның ең төменгі деңгейге түсуінің салдары екенін көрсетті. 1950 жылы Лев Ландау мен Виталий Гинцбург суперөткізгіштіктің феноменологиялық Гинцбург-Ландау теориясын жасады. Гинцбург-Ландау теориясы Ландаудың екінші реттік фазалық өтулер теориясын Шредингерге ұқсас толқын теңдеуімен біріктірді және суперөткізгіштердің макроскопиялық қасиеттерін түсіндіруде үлкен жетістікке жетті. Атап айтқанда, Алексей Абрикосов Гинцбург-Ландау теориясының суперөткізгіштерді I және II типтерге бөлуін болжайтынын көрсетті. Абрикосов пен Гинцбург 2003 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды (Ландау 1968 жылы қайтыс болды). Сондай-ақ 1950 жылы Эммануэль Максвелл және, шамамен бір уақытта, К. А. Рейнольдс және басқалар суперөткізгіштің сындық температурасы құрамындағы элементтің изотоптық массасына тәуелді екенін анықтады. Бұл маңызды жаңалық электрондар мен фонондардың өзара әрекеттесуін суперөткізгіштіктің микроскопиялық механизмі ретінде көрсетті. Эксперименттік жағынан қарағанда, Бернд Т. Маттиас 1950-ші жылдары Джон Кеннет Хулм және Теодор Х. Гебальльмен бірлесіп жұмыс істеп, Майснер эффектісіне негізделген әдіс арқылы жүздеген төмен температуралы суперөткізгіштерді ашты. Оның тәжірибесінің арқасында 1954 жылы ол Матиас ережелерін жасады, бұл осы типтегі суперөткізгіштерді табуға қатысты эмпирикалық ұсынымдар жиынтығы.

БҚС теориясы

1957 жылы Джон Бардин, Леон Н. Купер және Роберт Шриффер суперөткізгіштіктің толық микроскопиялық теориясын ұсынды. Бұл BCS теориясы суперөткізгіш токты Купер жұптарының суперсұйықтығы ретінде түсіндірді, яғни фонондар алмасу арқылы өзара әрекеттесетін электрон жұптары. Осы еңбегі үшін авторлар 1972 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. BCS теориясы 1958 жылы Николай Боголюбов бастапқыда вариациялық тәсілмен шығарылған BCS толқындық функциясы электрондық Гамильтонның канондық түрлендірілуін қолдану арқылы да алуға болатынын көрсеткенде, берік негізге орнатылды. 1959 жылы Лев Горьков BCS теориясының сындық температураға жақын Гинцбург-Ландау теориясына айналатынын көрсетті. Горьков суперөткізгіш фаза эволюциясы теңдеуін алғаш рет шығарды.

Литтл Паркс эффектісі

Литтл-Паркс эффектісі 1962 жылы параллель магнит өрісіне түсірілген бос және жұқа қабырғалы суперөткізгіш цилиндрлермен жүргізілген тәжірибелерде табылды. Мұндай цилиндрлердің электр кедергісі цилиндр арқылы өтетін магниттік ағынға байланысты периодтық тербеліс көрсетеді, оның периоды h/2e = 2,07×10−15 В·с-қа тең. Уильям Литтл мен Рональд Паркс түсіндіргендей, кедергінің тербелісі одан да негізгі құбылысты көрсетеді, яғни суперөткізгіштің критиктік температурасының (Tc) периодтық өзгеруін. Бұл – үлгінің суперөткізгіштік қасиетке ие болатын температурасы. Литтл-Паркс эффектісі – суперөткізгіш электрондардың ұжымдық кванттық мінез-құлқының нәтижесі. Ол суперөткізгіштерде ағын емес, флюксоид квантталады деген жалпы фактіні көрсетеді. Литтл-Паркс эффектісі векторлық потенциалдың байқалатын физикалық шамамен, атап айтқанда суперөткізгіштің критиктік температурасымен байланысатынын көрсетеді.

Коммерциялық қызмет

1911 жылы суперөткізгіштікті ашқаннан кейін көп ұзамай Камерлинг-Оннес суперөткізгіш орамалары бар электромагнит жасауға тырысты, бірақ ол зерттеген материалдарда салыстырмалы түрде төмен магниттік өрістердің суперөткізгіштікті жойғанын анықтады. Көп ұзамай, 1955 жылы Джордж Йнтема суперөткізгіш ниобий сымдарынан жасалған 0,7 Теслалық темір өзек электромагнитін құрастыруға қол жеткізді. 1961 жылы Дж.Е. Кунцлер, Е. Бюлер, Ф.С.Л. Хсу және Дж.Х. Верник таңғажайып жаңалық ашты: 4,2 Кельвин температурада ниобий мен қалайының үш бөліктен біріне шаққандағы қосылысы 8,8 Тесла магниттік өрісте бір шаршы сантиметрге 100 000 амперден астам ток тығыздығын ұстай алады. Қатайғыш және өңдеуге қиын болғанына қарамастан, ниобий-қалайы 20 Теслаға дейін магниттік өріс тудыратын супермагниттерде өте пайдалы болып шықты. 1962 жылы Тед Берлинкорт пен Ричард Хейк ниобий мен титанның аз сынық қорытпаларының 10 Теслаға дейінгі қолдануға жарамды екенін анықтады. Сонымен бірге, Westinghouse Electric Corporation және Wah Chang Corporation компанияларында ниобий-титан супермагнит сымдарын коммерциялық өндіруге кірісті. Ниобий-титанның ниобий-қалайыға қарағанда суперөткізгіштік қасиеттері нашар болғанымен, оның жоғары икемділігі мен өңдеудің қарапайымдығының арқасында ниобий-титан ең көп қолданылатын "жұмыс атты" супермагниттік материалға айналды. Дегенмен, ниобий-қалайы мен ниобий-титан медициналық МРТ суреттеу құралдарында, үлкен жоғары энергиялы бөлшектер үдеткіштеріндегі иілу және фокустау магниттерінде және тағы да басқа көптеген қолдануларда кеңінен қолданылады. Суперөткізгіштік саласындағы еуропалық консорциум Conectus 2014 жылы суперөткізгіштікке қажетті әлемдік экономикалық белсенділіктің шамамен бес миллиард еуроға жететінін бағалады, мұнда МРТ жүйелері осы соманың шамамен 80% құрады. 1962 жылы Брайан Джозефсон супертоктың жұқа оқшаулағыш қабатпен бөлінген екі суперөткізгіш арасында ағуы мүмкін деген маңызды теориялық болжам жасады. Бұл құбылыс қазір Джозефсон эффектісі деп аталады және SQUID сияқты суперөткізгіш құрылғылармен пайдаланылады. Ол магниттік ағым кванты h/2e-нің ең дәл өлшемдерінде қолданылады, сонымен қатар (кванттық Холл кедергісімен бірге) Планк тұрақтысы h-ті анықтау үшін қолданылады. Джозефсон 1973 жылы осы жұмысы үшін физика саласындағы Нобель сыйлығына ие болды. 1973 жылы Nb3Ge-нің Tc-сі 23 K екені анықталды, ол 1986 жылы купратты жоғары температуралы суперөткізгіштердің ашылуына дейін ең жоғары атмосфералық қысымдағы Tc болып қала берді (төменде қараңыз).

Жоғары температуралы суперөткiштер

1986 жылы J. Георг Беднорц және К. Алекс Мюллер 35 К (Физика бойынша Нобель сыйлығы, 1987) ауысу температурасы бар лантан негізіндегі купрат перовскит материалында суперөткізгіштікті тапты және ол жоғары температуралы суперөткізгіштердің алғашқысы болды. Ұзақ уақыт өткен соң (Чинг Ву Чу) лантанды иттриймен ауыстыру, яғни YBCO жасау, сыни температураны 92 К-ке көтерді, бұл маңызды болды, өйткені сұйық азотты суыту құралы ретінде пайдалануға болады (атмосфералық қысымда азоттың қайнау нүктесі 77 К). Бұл коммерциялық тұрғыдан маңызды, өйткені сұйық азотты шикізатсыз, арзан бағада өндіріп алуға болады және құбырларда гелийде болатын кейбір проблемаларға (қатты ауа тығындары және т.б.) бейім емес. Көптеген басқа купратты суперөткізгіштер табылды, және осы материалдардың суперөткізгіштік теориясы теориялық конденсирленген материя физикасының ең маңызды ерекшеліктерінің бірі болып табылады. 2001 жылдың наурызында магний диборидінің Tc = 39 K-мен суперөткізгіштігі анықталды. 2008 жылы оксипниктид немесе темір негізіндегі суперөткізгіштер табылды, бұл оларды зерттеу арқылы купрат суперөткізгіштердің теориясын табуға үміттендіріп, көптеген жұмыстарға әкелді. 2013 жылы YBCO-да бөлме температурасында суперөткізгіштікке пикосекундтар ішінде инфрақызыл лазерлік сәулелердің қысқа импульстерін материалдың кристалдық құрылымын деформациялау үшін пайдалану арқылы қол жеткізілді. 2017 жылы әлі табылмаған суперқатты материалдар (мысалы, критикалық допингтелген бета-титан Au) HgBaCuO-дан (138 K) едәуір жоғары, мүмкін 233 K-ға дейін, тіпті H2S-тен де жоғары Tc-мен жаңа суперөткізгішке үміткер болуы мүмкін деген ұсыныс айтылды. Көптеген зерттеулер қосымша никель кейбір перовскиттерде мысты алмастыра алады, бұл бөлме температурасына жететін тағы бір мүмкіндік береді. Li+ допингтелген материалдар да қолданылуы мүмкін, мысалы, спинел батареясы материалы LiTi2Ox және тор қысымы Tc-ді 13,8 К-ден жоғарылатады. Сондай-ақ LiHx-тің H-ден әлдеқайда төмен қысымда металлға айналуы мүмкін екендігі теориялық тұрғыда негізделген және ол 1-ші типті суперөткізгішке үміткер болуы мүмкін.