Кедергісіз электр өткізгіштік құбылысы

Кіріспе

Электрлік өткізгіштігі дәл нөлдік кедергімен

Суперөткізгіштік – электрлік кедергісі жоғалып, магниттік өрістері материалдан шығарылатын белгілі бір материалдарда байқалатын физикалық қасиеттер жиынтығы. Осы қасиеттерді көрсететін кез келген материал – суперөткізгіш. Қалыпты металл өткізгіштен айырмашылығы, оның кедергісі температура төмендеген сайын біртіндеп кемиді, тіпті абсолюттік нөлге дейін, суперөткізгіштің ерекше сыныптық температурасы бар, одан төмен кедергісі күрт нөлге дейін төмендейді. Суперөткізгіш сымнан жасалған тізбек арқылы электр тогы қуат көзі болмаса, шексіз ұзаққа созылуы мүмкін. Суперөткізгіштік құбылысын 1911 жылы голланд физигі Хайке Камерлинг Оннес ашқан. Ферромагнетизм және атомдық спектрлік сызықтар сияқты, суперөткізгіштік – тек кванттық механикамен ғана түсіндірілетін құбылыс. Ол Мейснер эффектісімен сипатталады, суперөткізгіш күйге өту кезінде суперөткізгіштің ішкі жағындағы магниттік өрістің толық жойылуы. Мейснер эффектісінің пайда болуы суперөткізгіштікті классикалық физикадағы кемелді өткізгіштіктің идеализациясы ретінде қарастыруға болмайтынын көрсетеді. 1986 жылы кейбір купрат перовскит керамикалық материалдардың белгілі бір температурадан жоғары температурада суперөткізгіштік қасиеттері бар екені анықталды. Мұндай жоғары өту температурасы теориялық тұрғыдан дәстүрлі суперөткізгіш үшін мүмкін емес, сондықтан бұл материалдар жоғары температуралы суперөткізгіштер деп аталады. Қолжетімді сұйық азот қайнау температурасы болғандықтан, одан жоғары температурада суперөткізгіштіктің болуы төмен температурада практикалық емес көптеген тәжірибелер мен қолдануларды жеңілдетеді.

Жіктеу

Суперөткіштерді жіктеудің көптеген критерийлері бар. Ең көп қолданылатындары:

Магниттік өріске жауап беру

Суперөткіш I типті болуы мүмкін, яғни оның бір ғана сыни өрісі болады, одан жоғарыда барлық суперөткізгіштік қасиеттері жоғалады, ал одан төменде магнит өрісі суперөткіштен толығымен шығарылады; немесе II типті, яғни оның екі сыни өрісі болады, олардың арасында магнит өрісінің жеке-жеке нүктелер арқылы ішінара енуіне рұқсат береді. Бұл нүктелер бұрқасы (вортэкс) деп аталады. Сонымен қатар, көп компонентті суперөткіштерде екі түрлі мінез-құлықтың комбинациясы болуы мүмкін. Мұндай жағдайда суперөткіш 1.5 типті болады.

Операция теориясы бойынша

Егер оны BCS теориясымен немесе оның туындыларымен түсіндіруге болатын болса, ол дәстүрлі, әйтпесе – дәстүрлі емес. Басқаша айтқанда, егер суперөткізгіштіктің реттеу параметрі жүйенің нүктелік тобының немесе кеңістік тобының тривиалды емес азайтылмайтын өкілдігіне сәйкес өзгеретін болса, онда суперөткізгіш дәстүрлі емес деп аталады.

Критикалық температура бойынша

Егер суперөткізгіш 30 К (−243,15 °C) температурадан жоғары суперөткізгіш күйге жетсе, ол әдетте жоғары температуралы деп есептеледі; бұл Георг Беднорц пен К. Алекс Мюллердің алғашқы ашылуында көрсетілген. Суперөткізгіш материалдардың түрлеріне химиялық элементтер (мысалы, сынап немесе қорғасын), қорытпалар (ниобий-титан, германий-ниобий және ниобий нитриді), керамикалық материалдар (YBCO және магний дибориді), суперөткізгіш пниктидтер (фтормен қосылған LaOFeAs сияқты) немесе органикалық суперөткізгіштер (фуллерендер мен көміртек нанотүтіктер; бірақ, бұл мысалдар толығымен көміртектен тұратындықтан химиялық элементтерге жатқызылуы мүмкін).

Үстеме өткізгіштердің элементарлық қасиеттері

Суперөткізгіштердің физикалық қасиеттері материалдан материалға өзгеше болады, мысалы, сын температурасы, суперөткізгіштік аралықтың шамасы, сын магниттік өрісі және суперөткізгіштік жойылатын сын ток тығыздығы. Екінші жағынан, негізгі материалға тәуелсіз қасиеттер класы бар. Мейснер эффектісі, магниттік ағынның немесе тұрақты тоқтардың квантталуы, яғни нөлдік кедергі күйі ең маңызды мысалдар. Осы "әмбебап" қасиеттердің болуы суперөткізгіштің бұзылған симметриясының мәніне және диагональдан тыс ұзақ қашықтықтағы тәртіптің пайда болуына байланысты. Суперөткізгіштік термодинамикалық фаза болып табылады, сондықтан микроскопиялық егжей-тегжейлерге байланысты емес ерекше қасиеттерге ие. Диагональдан тыс ұзақ қашықтықтағы тәртіп Купер жұптарының қалыптасуымен тығыз байланысты.

Электрлік тоқ кедергісі нөл

Кейбір материалдың үлгісінің электрлік кедергісін өлшеудің ең қарапайым әдісі – оны I ток көзімен тізбекте электрлік схемаға орналастырып, үлгідегі V кернеуін өлшеу. Үлгінің кедергісі Ом заңы бойынша R = V / I формуласымен беріледі. Егер кернеу нөл болса, онда кедергі де нөл болады. Суперөткізгіштер кернеусіз ток өткізе алады, бұл қасиет МРТ машиналарындағы суперөткізгіш электромагниттерде қолданылады. Эксперименттер көрсеткендей, суперөткізгіш орамдардағы токтар жылдар бойы байқалатын деградациясыз сақталуы мүмкін. Эксперименттік деректер оның қызмет ету мерзімі кем дегенде 100 000 жылды құрайтынын көрсетеді. Тұрақты ток өміріне қатысты теориялық есептемелер сымның геометриясы мен температурасына байланысты ғаламның болжамды өмірінен асып түсуі мүмкін. Мұндай құралдарда өлшеу 4 грамм салмағы бар суперөткізгіш ниобий шарларының левитациясын бақылауға негізделген. Қалыпты өткізгіште электр тогы ауыр иондық тор арқылы қозғалатын электрондар ағыны ретінде көрінеді. Электрондар тордағы иондармен үнемі соқтығысып тұрады, әр соқтығысу кезінде токпен тасымалданатын энергияның бір бөлігі торға жұтылып, жылуға айналады – бұл негізінен тордағы иондардың тербелістік кинетикалық энергиясы. Нәтижесінде токпен тасымалданатын энергия үнемі таралады. Бұл электрлік кедергі және Джоуль қызуы құбылысы. Суперөткізгіште жағдай өзгеше. Кәдімгі суперөткізгіште электрондық ағын жеке электрондарға бөлінбейді. Оның орнына ол Купер жұптары деп аталатын байланысқан электрон жұптарынан тұрады. Бұл жұптасу фонондар алмасу арқылы туындайтын электрондар арасындағы тартымды күштің нәтижесі. Бұл жұптасу өте әлсіз, ал кішкентай термиялық тербелістер байланысты бұзуы мүмкін. Кванттық механикаға сәйкес, Купер жұптық ағынының энергия спектрінде энергиялық саңылау бар, яғни ағынды қоздыру үшін кемінде ΔE энергиясы берілуі керек. Сондықтан, егер ΔE, k – Болцман тұрақтысы, ал T – температура болғандағы тордың kT жылу энергиясынан жоғары болса, ағын тормен шашырамайды. Купер жұптық ағыны – бұл супер ағын, яғни ол энергияны жоғалтпай ағып өте алады. II типтегі суперөткізгіштер класына жататын, барлық белгілі жоғары температуралы суперөткізгіштерде электр тогы күшті магнит өрісімен бірге қолданылғанда номиналды суперөткізгіштік ауысудан едәуір төмен температурада өте төмен, бірақ нөлдік емес кедергі пайда болады, бұл электр тогының өзінен туындауы мүмкін. Бұл электрондық супер ағындағы магниттік вихрьлердің қозғалысына байланысты, олар токпен тасымалданатын энергияның бір бөлігін шашыратады. Ток жеткілікті түрде аз болса, вихрьлер тұрақты болады және кедергі жоғалады. Бұл әсерге байланысты кедергі суперөткізгіш емес материалдарға қарағанда өте аз, бірақ сезімтал эксперименттерде ескерілуі керек. Алайда, температура номиналды суперөткізгіштік ауысудан төмендегенде, бұл вихрьлер "вихрьтік шыны" деп аталатын тәртіпсіз, бірақ тұрақты фазаға айналуы мүмкін. Осы вихрьтік шыны температурасынан төмен материалдың кедергісі шын мәнінде нөлге тең болады.

The simplest method to measure the electrical resistance of a sample of some material is to place it in an electrical circuit in series with a current source I and measure the resulting voltage V across the sample. The resistance of the sample is given by Ohm's law as R = V / I. If the voltage is zero, this means that the resistance is zero. Superconductors are also able to maintain a current with no applied voltage whatsoever, a property exploited in superconducting electromagnets such as those found in MRI machines. Experiments have demonstrated that currents in superconducting coils can persist for years without any measurable degradation. Experimental evidence points to a lifetime of at least 100,000 years. Theoretical estimates for the lifetime of a persistent current can exceed the estimated lifetime of the universe, depending on the wire geometry and the temperature. In such instruments, the measurement is based on the monitoring of the levitation of a superconducting niobium sphere with a mass of 4 grams. In a normal conductor, an electric current may be visualized as a fluid of electrons moving across a heavy ionic lattice. The electrons are constantly colliding with the ions in the lattice, and during each collision some of the energy carried by the current is absorbed by the lattice and converted into heat, which is essentially the vibrational kinetic energy of the lattice ions. As a result, the energy carried by the current is constantly being dissipated. This is the phenomenon of electrical resistance and Joule heating. The situation is different in a superconductor. In a conventional superconductor, the electronic fluid cannot be resolved into individual electrons. Instead, it consists of bound pairs of electrons known as Cooper pairs. This pairing is caused by an attractive force between electrons from the exchange of phonons. This pairing is very weak, and small thermal vibrations can fracture the bond. Due to quantum mechanics, the energy spectrum of this Cooper pair fluid possesses an energy gap, meaning there is a minimum amount of energy ΔE that must be supplied in order to excite the fluid. Therefore, if ΔE is larger than the thermal energy of the lattice, given by kT, where k is the Boltzmann constant and T is the temperature, the fluid will not be scattered by the lattice. The Cooper pair fluid is thus a superfluid, meaning it can flow without energy dissipation. In the class of superconductors known as type II superconductors, including all known high temperature superconductors, an extremely low but non zero resistivity appears at temperatures not too far below the nominal superconducting transition when an electric current is applied in conjunction with a strong magnetic field, which may be caused by the electric current. This is due to the motion of magnetic vortices in the electronic superfluid, which dissipates some of the energy carried by the current. If the current is sufficiently small, the vortices are stationary, and the resistivity vanishes. The resistance due to this effect is minuscule compared with that of non superconducting materials, but must be taken into account in sensitive experiments. However, as the temperature decreases far enough below the nominal superconducting transition, these vortices can become frozen into a disordered but stationary phase known as a "vortex glass". Below this vortex glass transition temperature, the resistance of the material becomes truly zero.

Фазалық ауысу

Үстеме өткізгіш материалдарда, температура T, сынақ температурасы Tc-дан төмен түскенде, үстеме өткізгіштіктің қасиеттері пайда болады. Бұл сынақ температурасының шамасы материалдан материалға өзгереді. Дәстүрлі суперөткізгіштерде критикалық температура әдетте 20 К шамасынан 1 К-ке дейін болады. Мысалы, қатты сынаптың критикалық температурасы 4,2 К-ке тең. 2015 жылға дейін, дәстүрлі суперөткізгіштер үшін H2S үшін ең жоғары критикалық температура 203 К құрады, бірақ бұл үшін шамамен 90 гигапаскальдық жоғары қысым қажет болды. Купратты суперөткізгіштерде әлдеқайда жоғары сынақ температуралары болуы мүмкін: YBa2Cu3O7, ең алғашқы купратты суперөткізгіштердің бірі, 90 К-тан жоғары сынақ температурасына ие, ал сынап негізді купраттар 130 К-тан жоғары сынақ температураларымен табылды. Жоғары сынақ температурасына жауапты негізгі физикалық механизм әлі толық анықталған жоқ. Дегенмен, екі электронды жұптасуға қатысты екені белгілі, бірақ жұптасудың сипаты (толқынды vs. толқынсыз) әлі де даулы. Сол сияқты, сынақ температурасынан төмен температурада, суперөткізгіш материалдар сыртқы магнит өрісінің күші, сынақ магнит өрісінен асатын жағдайда, үстеме өткізгіштік қасиетін жояды. Бұл себебі, суперөткізгіш фазаның Гиббс еркін энергиясы магнит өрісінің өсуімен квадратикалық түрде артады, ал қалыпты фазаның еркін энергиясы магнит өрісіне дерлік тәуелді емес. Егер материал өріс болмағанда үстеме өткізгіштікке ие болса, онда суперөткізгіш фазаның еркін энергиясы қалыпты фазадан төмен болады, сондықтан магнит өрісінің белгілі бір мәнінде (нөлдік магнит өрісіндегі еркін энергиялардың айырмашылығының квадрат түбіріне пропорционалды) екі еркін энергия теңеседі және қалыпты фазаға фазалық ауысу орын алады. Жалпы алғанда, жоғары температура және күшті магнит өрісі суперөткізгіш электрондардың үлесін азайтады, соның салдарынан сыртқы магнит өрістері мен тоқтардың Лондондық ену тереңдігі ұзарады. Фазалық ауысу кезінде ену тереңдігі шексіз болады. Үстеме өткізгіштіктің пайда болуымен бірге, әртүрлі физикалық қасиеттерде күрт өзгерістер байқалады, бұл фазалық ауысудың айқын белгісі. Мысалы, электрондық жылу сыйымдылығы қалыпты (үстеме өткізгіш емес) режимде температураға пропорционалды. Үстеме өткізгіштікке ауысу кезінде ол үздіксіз секіріс жасайды және одан кейін сызықтық байланыс жоғалады. Төмен температурада ол керісінше, кейбір тұрақты α үшін e−α/T ретінде өзгереді. Бұл экспоненциалдық мінез-құлық энергиялық алшақтықтың бар екенін көрсететін дәлелдердің бірі. Үстеме өткізгіштік фазалық ауысуының реті ұзақ уақыт бойы пікірталас тудырды. Эксперименттер ауысудың екінші реттік екенін көрсетеді, яғни жасырын жылу жоқ. Алайда, сыртқы магнит өрісі болғанда жасырын жылу пайда болады, себебі суперөткізгіш фазаның энтропиясы қалыпты фазаға қарағанда сынақ температурасынан төмен болады. Эксперименттік түрде көрсетілгендей, нәтижесінде, магнит өрісі сынақ өрістен асып кеткенде, фазалық ауысу суперөткізгіш материалдың температурасын төмендетеді. 1970 жылдардағы есептеулер электромагниттік өрістегі ұзақ қашықтықтағы флуктуациялардың әсерінен ол бірінші реттік болуы мүмкін екенін болжады. 1980 жылдары бұзылу өрісі теориясының көмегімен, онда суперөткізгіштің бұрқасын сызықтары маңызды рөл атқарады, ауысу II типті режимде екінші реттік, ал I типті режимде бірінші реттік (яғни жасырын жылу) екені және екі аймақ трикритикалық нүктемен бөлінеді деп теориялық тұрғыдан көрсетілді. Бұл нәтижелерді Монте-Карло компьютерлік симуляцияларымен нығайтты.

In superconducting materials, the characteristics of superconductivity appear when the temperature T is lowered below a critical temperature Tc. The value of this critical temperature varies from material to material. Conventional superconductors usually have critical temperatures ranging from around 20 K to less than 1 K. Solid mercury, for example, has a critical temperature of 4.2 K. As of 2015, the highest critical temperature found for a conventional superconductor is 203 K for H2S, although high pressures of approximately 90 gigapascals were required. Cuprate superconductors can have much higher critical temperatures: YBa2Cu3O7, one of the first cuprate superconductors to be discovered, has a critical temperature above 90 K, and mercury based cuprates have been found with critical temperatures in excess of 130 K. The basic physical mechanism responsible for the high critical temperature is not yet clear. However, it is clear that a two electron pairing is involved, although the nature of the pairing ( wave vs. wave) remains controversial. Similarly, at a fixed temperature below the critical temperature, superconducting materials cease to superconduct when an external magnetic field is applied which is greater than the critical magnetic field. This is because the Gibbs free energy of the superconducting phase increases quadratically with the magnetic field while the free energy of the normal phase is roughly independent of the magnetic field. If the material superconducts in the absence of a field, then the superconducting phase free energy is lower than that of the normal phase and so for some finite value of the magnetic field (proportional to the square root of the difference of the free energies at zero magnetic field) the two free energies will be equal and a phase transition to the normal phase will occur. More generally, a higher temperature and a stronger magnetic field lead to a smaller fraction of electrons that are superconducting and consequently to a longer London penetration depth of external magnetic fields and currents. The penetration depth becomes infinite at the phase transition. The onset of superconductivity is accompanied by abrupt changes in various physical properties, which is the hallmark of a phase transition. For example, the electronic heat capacity is proportional to the temperature in the normal (non superconducting) regime. At the superconducting transition, it suffers a discontinuous jump and thereafter ceases to be linear. At low temperatures, it varies instead as e−α/T for some constant, α. This exponential behavior is one of the pieces of evidence for the existence of the energy gap. The order of the superconducting phase transition was long a matter of debate. Experiments indicate that the transition is second order, meaning there is no latent heat. However, in the presence of an external magnetic field there is latent heat, because the superconducting phase has a lower entropy below the critical temperature than the normal phase. It has been experimentally demonstrated that, as a consequence, when the magnetic field is increased beyond the critical field, the resulting phase transition leads to a decrease in the temperature of the superconducting material. Calculations in the 1970s suggested that it may actually be weakly first order due to the effect of long range fluctuations in the electromagnetic field. In the 1980s it was shown theoretically with the help of a disorder field theory, in which the vortex lines of the superconductor play a major role, that the transition is of second order within the type II regime and of first order (i. e., latent heat) within the type I regime, and that the two regions are separated by a tricritical point. The results were strongly supported by Monte Carlo computer simulations.

Лондон сәт

Керісінше, айналатын суперөткізгіш айналу осімен дәл сәйкес келетін магнит өрісін жасайды. Бұл эффект, Лондон сәті, "Гравитациялық Зонд В" тәжірибесінде тиімді пайдаланылды. Бұл тәжірибеде төрт суперөткізгіш гироскоптың магниттік өрістері өлшеліп, олардың айналу осьтері анықталды. Бұл эксперимент үшін маңызды болды, себебі бұл ерекше белгілері жоқ шардың айналу осін дәл анықтаудың сирек мүмкіндіктерінің бірі.

Тарих

Суперөткізгіштік 1911 жылғы 8 сәуірде Хайке Камерлинг Оннес тарапынан ашылды. Ол криогендік температурада қатты сынаптың электр кедергісін зерттеуде, ал салқындату үшін жаңа өндірілген сұйық гелийді пайдаланды. 4,2 К температурада ол кедергінің күрт жоғалып кеткенін байқады. Сол тәжірибеде ол гелийдің 2,2 К температурадағы суперсұйыққа өтуін де байқады, бірақ оның маңыздылығын түсінбеді. Анық күн мен жағдай ғасырдан кейін ғана анықталды, Оннестің күнделігі табылып, зерттелген кезде. Келесі онжылдықтарда суперөткізгіштік басқа бірнеше материалдарда да байқалды. 1913 жылы қорғасын 7 К температурада суперөткізгіш екені анықталды, ал 1941 жылы ниобий нитриді 16 К температурада суперөткізгіш екені анықталды.

Суперөткізгіштіктің қалай және неліктен жұмыс істейтінін анықтауға көп күш жұмсалды. Маңызды қадам 1933 жылы жасалды, Мейснер мен Оксенфельд суперөткізгіштердің сыртқы магнит өрісін шығарып тастайтынын ашты, бұл құбылыс кейін Мейснер эффектісі деп аталды. 1935 жылы Фриц пен Хайнц Лондон Мейснер эффектісінің суперөткізгіш токпен тасымалданатын электромагниттік еркін энергияның ең төменгі деңгейге түсуінің салдары екенін көрсетті.

Дәстүрлі теориялар (1950-ші жылдар)

1950 жылдары теориялық конденсирленген заттар физиктері «дәстүрлі» суперөткізгіштікті түсінуге қол жеткізді, бұл ерекше және маңызды теориялар арқылы: феноменологиялық Гинцбург-Ландау теориясы (1950) және микроскопиялық BCS теориясы (1957). 1950 жылы Ландау мен Гинцбург феноменологиялық Гинцбург-Ландау суперөткізгіштік теориясын жасады. Бұл теория Ландаудың екінші реттік фазалық өтулер теориясын Шредингер сияқты толқын теңдеуімен біріктірді, және суперөткізгіштердің макроскопиялық қасиеттерін түсіндіруде үлкен жетістікке ие болды. Атап айтқанда, Абрикосов Гинцбург-Ландау теориясы суперөткізгіштерді I және II типтер деп аталатын екі категорияға бөлуін болжайтынын көрсетті. Абрикосов пен Гинцбург 2003 жылы Нобель сыйлығымен марапатталды (Ландау 1962 жылы басқа жұмыстары үшін Нобель сыйлығын алған, ал 1968 жылы қайтыс болды). Гинцбург-Ландау теориясының төрт өлшемді кеңейтімі, Коулман-Вайнберг моделі, кванттық өріс теориясы және космологияда маңызды. Сондай-ақ 1950 жылы Максвелл және 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. Суперөткізгіштіктің толық микроскопиялық теориясы 1957 жылы Бардин, Купер және Шриффермен ұсынылды. 1959 жылы Лев Горьков BCS теориясының сындық температураға жақын Гинцбург-Ландау теориясына келетінін көрсетті. Дәстүрлі суперөткізгіштер үшін BCS теориясының жалпыламалары суперсұйықтық құбылысын түсінудің негізін құрайды, өйткені олар лямбда өтуінің универсалдық класына жатады. Мұндай жалпыламаларды дәстүрлі емес суперөткізгіштерге қолдану мүмкіндігі әлі де даулы.

Кейінгі тарихы

Суперөткізгіштіктің алғашқы практикалық қолданылуы 1954 жылы Дадли Аллен Бактың криотронды ойлап табуымен дамыды. Компьютерлік элементтер үшін жылдам, қарапайым қосқыш жасау үшін өте ерекшеленетін сындық магниттік өріс мәндеріне ие екі суперөткізгіш біріктіріледі. 1911 жылы суперөткізгіштікті ашқаннан кейін, Камерлинг Оннес суперөткізгіш орамалары бар электромагнит жасауға тырысты, бірақ ол зерттеген материалдарда салыстырмалы түрде төмен магниттік өрістер суперөткізгіштікті жойғанын анықтады. Кейін, 1955 жылы Г. Б. Йнтема суперөткізгіш ниобий сымдарынан оралған 0,7 теслалық темір өзек электромагнит құрастыруға қол жеткізді. 1961 жылы Дж. Е. Кунцлер, Е. Бюлер, Ф. С. Л. Хсу және Дж. Х. Верник таңғажайып жаңалық ашты: 4,2 кельвинде ниобий-қалайы, үш бөлік ниобий және бір бөлік қалайдан тұратын қосылыс, магниттік өрісте 8,8 теслада бір шаршы сантиметрге 100 000 амперден астам ток тығыздығын ұстауға қабілетті. Шағын кеуекті және жасау қиын болғанына қарамастан, ниобий-қалайы 20 теслаға дейін магниттік өріс тудыратын супермагниттерде өте пайдалы болып шықты. 1962 жылы Т. Г. Берлинкорт және Р. Р. Хэйк ниобий мен титанның икемдірек қорытпалары 10 теслаға дейін қолдануға жарамды екенін анықтады. Содан кейін, Westinghouse Electric Corporation және Wah Chang Corporation компанияларында ниобий-титан супермагниттік сымдарын коммерциялық өндіруге кірісті. Ниобий-титан ниобий-қалайыға қарағанда кем әсерлі суперөткізгіш қасиеттерге ие болғанымен, оның жоғары икемділігі мен жасаудың қарапайымдығының нәтижесінде ол ең көп қолданылатын "жұмыс атты" супермагниттік материалға айналды. Дегенмен, ниобий-қалайы және ниобий-титан медициналық МРТ суреттеу құралдарында, үлкен жоғары энергиялы бөлшектер үдеткіштеріндегі иілу және фокустау магниттерінде және басқа да көптеген қолдануларда кеңінен қолданылады. 2014 жылы Conectus, Еуропалық суперөткізгіш консорциумы, суперөткізгіштің қажеттілігіне байланысты әлемдік экономикалық белсенділік шамамен бес миллиард еуроға жететінін бағалады, МРТ жүйелері бұл соманың шамамен 80% құрайды. 1962 жылы Джозефсон жұқа оқшаулағыш қабатымен бөлінген екі суперөткізгіш арасында суперток ағуы мүмкін деген маңызды теориялық болжам жасады. Қазір бұл құбылыс Джозефсон эффектісі деп аталады және SQUID сияқты суперөткізгіш құрылғылармен пайдаланылады. Ол магниттік ағым квантының ең дәл өлшемдерінде қолданылады: Φ0 = h/(2e), мұнда h - Планк тұрақтысы. Бұл кванттық Холл кедергісімен бірге Планк тұрақтысын дәл өлшеуге мүмкіндік береді. Джозефсон осы еңбегі үшін 1973 жылы Нобель сыйлығына ие болды. 2008 жылы суперөткізгіштікті тудыратын механизм кейбір материалдарда дерлік шексіз электр кедергісіне ие супероқшаулағыш күйін тудыруы мүмкін деген ұсыныс жасалды. 2020 жылы суперөткізгіш Бозе-Эйнштейн конденсатының (BEC) алғашқы дамуы мен зерттелуі BEC және Бардин-Купер-Шриффер режимдері арасында "тегіс өту" бар екенін көрсетті.

The first practical application of superconductivity was developed in 1954 with Dudley Allen Buck's invention of the cryotron. Two superconductors with greatly different values of the critical magnetic field are combined to produce a fast, simple switch for computer elements. Soon after discovering superconductivity in 1911, Kamerlingh Onnes attempted to make an electromagnet with superconducting windings but found that relatively low magnetic fields destroyed superconductivity in the materials he investigated. Much later, in 1955, G. B. Yntema succeeded in constructing a small 0.7 tesla iron core electromagnet with superconducting niobium wire windings. Then, in 1961, J. E. Kunzler, E. Buehler, F. S. L. Hsu, and J. H. Wernick made the startling discovery that, at 4.2 kelvin, niobium–tin, a compound consisting of three parts niobium and one part tin, was capable of supporting a current density of more than 100,000 amperes per square centimeter in a magnetic field of 8.8 tesla. Despite being brittle and difficult to fabricate, niobium–tin has since proved extremely useful in supermagnets generating magnetic fields as high as 20 tesla. In 1962, T. G. Berlincourt and R. R. Hake discovered that more ductile alloys of niobium and titanium are suitable for applications up to 10 tesla. Promptly thereafter, commercial production of niobium–titanium supermagnet wire commenced at Westinghouse Electric Corporation and at Wah Chang Corporation. Although niobium–titanium boasts less impressive superconducting properties than those of niobium–tin, niobium–titanium has, nevertheless, become the most widely used "workhorse" supermagnet material, in large measure a consequence of its very high ductility and ease of fabrication. However, both niobium–tin and niobium–titanium find wide application in MRI medical imagers, bending and focusing magnets for enormous high energy particle accelerators, and a host of other applications. Conectus, a European superconductivity consortium, estimated that in 2014, global economic activity for which superconductivity was indispensable amounted to about five billion euros, with MRI systems accounting for about 80% of that total. In 1962, Josephson made the important theoretical prediction that a supercurrent can flow between two pieces of superconductor separated by a thin layer of insulator. This phenomenon, now called the Josephson effect, is exploited by superconducting devices such as SQUIDs. It is used in the most accurate available measurements of the magnetic flux quantum Φ0 = h/(2e), where h is the Planck constant. Coupled with the quantum Hall resistivity, this leads to a precise measurement of the Planck constant. Josephson was awarded the Nobel Prize for this work in 1973. In 2008, it was proposed that the same mechanism that produces superconductivity could produce a superinsulator state in some materials, with almost infinite electrical resistance. The first development and study of superconducting Bose–Einstein condensate (BEC) in 2020 suggests that there is a "smooth transition between" BEC and Bardeen Cooper Shrieffer regimes.

Жоғары температуралық суперөткізгіштік

1986 жылға дейін физиктер BCS теориясы шамамен 30 К жоғары температурада суперөткізгіштікті мүмкін емес деп есептеген. Сол жылы Беднорц пен Мюллер лантан негізіндегі купрат перовскит материалы – лантан барий мыс оксидінде (LBCO) 35 К ауысу температурасы бар суперөткізгіштікті тапты (Физика бойынша Нобель сыйлығы, 1987). Сұйық азотты салыстырмалы түрде арзан, тіпті орнында да өндіруге болады. Жоғары температуралар сұйық гелий температурасында туындайтын кейбір проблемаларды болдырмауға көмектеседі, мысалы, криогендік желілерді бітеуі мүмкін мұздатылған ауаның түзілуі және күтпеген, қауіпті қысымның өсуі. Көптеген басқа купратты суперөткізгіштер ашылды, және осы материалдардағы суперөткізгіштіктің теориясы теориялық конденсирленген материя физикасының маңызды мәселелерінің бірі болып табылады. Қазіргі уақытта екі негізгі гипотеза бар: резонанстық валенттілік байланыс теориясы және ғылыми қауымдастықта ең көп қолдау тапқан спин флуктуациясы. Екінші гипотеза бойынша, жоғары температуралы суперөткізгіштерде электронды жұптасу парамагнондар деп аталатын қысқа қашықтықтағы спин толқындары арқылы жүзеге асырылады. 2008 жылы Голографиялық суперөткізгіштік, Голографиялық дуалдық немесе AdS/CFT сәйкестік теориясын қолдана отырып, Гобсер, Хартнолл, Герцог және Хоровиц кейбір материалдардың жоғары температуралық суперөткізгіштігінің мүмкін түсіндірмесі ретінде ұсынды. 1993 жылдан бастап ең жоғары температуралы суперөткізгіш – мыс, барий, кальций, мыс және оттегі (HgBa2Ca2Cu3O8+δ) құрамындағы керамикалық материал, Tc = 133–138 К. 2008 жылы темір негізді жоғары температуралы суперөткізгіштер отбасы ашылды. Токио технология институтының Хидео Хосоно және әріптестері 26 К төмен температурада суперөткізгіш болатын оксипниктид – лантан оттегі фторлы темір арсенидін (LaO1−xFxFeAs) тапты. LaO1−xFxFeAs-тағы лантанды самариймен алмастыру 55 К температурада жұмыс істейтін суперөткізгіштерге әкеледі. 2014 және 2015 жылдары сутегі сульфиді (H2S) өте жоғары қысымда (шамамен 150 гигапаскаль) 80 К ауысу температурасы бар жоғары температуралы суперөткізгіш екені алдын ала болжанып, кейін расталды. Сонымен қатар, 2019 жылы лантан гидридінің (LaH10) 170 гигапаскаль қысымда 250 К температурада суперөткізгіш болатыны анықталды. Суперөткізгіштік эффекті графен қабаттары арасында "скирмиондар" деп аталатын бұрылған электрондардың нәтижесінде пайда болды. Олар жеке бөлшектей әрекет етеді және графен қабаттары арқылы жұптасып, суперөткізгіштіктің негізгі шарттарын тудырады. 2020 жылы "Nature" журналында 270 гигапаскаль қысымда сутегі, көміртек және күкірттен жасалған бөлме температурасындағы суперөткізгіш (критикалық температурасы 288 К) сипатталды. Алайда, 2022 жылы редакторлар мақаланы кері қайтарып алды, себебі фонды алып тастау процедураларының дұрыстығы күмәнді болды. Барлық тоғыз автор бастапқы деректер мақаланың негізгі тұжырымдамаларын толық қолдайтынын мәлімдеді. 2023 жылдың 31 желтоқсанында "Advanced Quantum Technologies" журналында "Графиттегі бөлме температурасындағы суперөткізгіштік" жарияланды, онда жоғары бағдарланған пиролиттік графитте, параллель сызықтық ақаулардың тығыз массивтерімен бөлме температурасында және атмосфералық қысымда суперөткізгіштік көрсетілді.

Until 1986, physicists had believed that BCS theory forbade superconductivity at temperatures above about 30 K. In that year, Bednorz and Müller discovered superconductivity in lanthanum barium copper oxide (LBCO), a lanthanum based cuprate perovskite material, which had a transition temperature of 35 K (Nobel Prize in Physics, 1987). Liquid nitrogen can be produced relatively cheaply, even on site. The higher temperatures additionally help to avoid some of the problems that arise at liquid helium temperatures, such as the formation of plugs of frozen air that can block cryogenic lines and cause unanticipated and potentially hazardous pressure buildup. Many other cuprate superconductors have since been discovered, and the theory of superconductivity in these materials is one of the major outstanding challenges of theoretical condensed matter physics. There are currently two main hypotheses – the resonating valence bond theory, and spin fluctuation which has the most support in the research community. The second hypothesis proposed that electron pairing in high temperature superconductors is mediated by short range spin waves known as paramagnons. In 2008, holographic superconductivity, which uses holographic duality or AdS/CFT correspondence theory, was proposed by Gubser, Hartnoll, Herzog, and Horowitz, as a possible explanation of high temperature superconductivity in certain materials. From about 1993, the highest temperature superconductor known was a ceramic material consisting of mercury, barium, calcium, copper and oxygen (HgBa2Ca2Cu3O8+δ) with Tc = 133–138 K.

In February 2008, an iron based family of high temperature superconductors was discovered. Hideo Hosono, of the Tokyo Institute of Technology, and colleagues found lanthanum oxygen fluorine iron arsenide (LaO1−xFxFeAs), an oxypnictide that superconducts below 26 K. Replacing the lanthanum in LaO1−xFxFeAs with samarium leads to superconductors that work at 55 K.

In 2014 and 2015, hydrogen sulfide (H2S) at extremely high pressures (around 150 gigapascals) was first predicted and then confirmed to be a high temperature superconductor with a transition temperature of 80 K. Additionally, in 2019 it was discovered that lanthanum hydride (LaH10) becomes a superconductor at 250 K under a pressure of 170 gigapascals. The superconductivity effect came about as a result of electrons twisted into a vortex between the graphene layers, called "skyrmions". These act as a single particle and can pair up across the graphene's layers, leading to the basic conditions required for superconductivity. In 2020, a room temperature superconductor (critical temperature 288 K) made from hydrogen, carbon and sulfur under pressures of around 270 gigapascals was described in a paper in Nature. However, in 2022 the article was retracted by the editors because the validity of background subtraction procedures had been called into question. All nine authors maintain that the raw data strongly support the main claims of the paper. On 31 December 2023 "Global Room Temperature Superconductivity in Graphite" was published in the journal "Advanced Quantum Technologies" claiming to demonstrate superconductivity at room temperature and ambient pressure in Highly oriented pyrolytic graphite with dense arrays of nearly parallel line defects.

Қолданбалар

Суперөткіштер электрондық, спинтроникалық және кванттық технологиялардың негізгі тізбек элементтерін жасау үшін перспективті кандидат материалдар болып табылады. Мұндай мысалдың бірі – суперөткізгіш диод, онда суперток тек бір бағытта ғана ағып, диссипациясыз суперөткізгіш және жартылай өткізгіш суперөткізгіш гибридтік технологияларды ұсынады. Суперөткізгіш магниттер – белгілі ең қуатты электромагниттер. Олар МРТ/ЯМР машиналарында, массалық спектрометрлерде, бөлшектерді үдеткіштерінде қолданылатын сәуле бағыттаушы магниттерде және кейбір токамактардағы плазманы ұстаушы магниттерде қолданылады. Олар сондай-ақ магниттік бөліну үшін де қолданылуы мүмкін, онда әлсіз магниттік бөлшектер пигмент өнеркәсібіндегідей, магниттік емес бөлшектерден бөліп алынады. Олар үлкен жел турбиналарында жоғары электр тогының тудыратын шектеулерді жеңу үшін де пайдаланылуы мүмкін, мысалы, Данияда өнеркәсіптік деңгейдегі 3,6 мегаваттты суперөткізгіш жел генераторы табысты сынақтан өтті. 1950-1960 жылдары суперөткізгіштер криотрондық коммутаторларды пайдалана отырып, тәжірибелік цифрлық компьютерлерді құру үшін қолданылды. Соңғы уақытта суперөткізгіштер жылдам бір ағынды кванттық технологияға негізделген цифрлық тізбектерді және ұялы телефон базалық станциялары үшін радиожиілік (RF) және микротолқындық сүзгілерді жасау үшін қолданылды. Суперөткізгіштер Джозефсон түйіндерін жасау үшін қолданылады, олар SQUID (суперөткізгіш кванттық интерференциялық құрылғылар) құрылысының құрылыс блогы болып табылады, бұл белгілі ең сезімтал магнитометрлер. SQUID-тер сканерлік SQUID микроскоптарында және магнитоэнцефалографияда қолданылады. SI вольтын жүзеге асыру үшін Джозефсон құрылғыларының тізбегі қолданылады. Суперөткізгіш фотон детекторлары әртүрлі құрылымдық конфигурацияларда жүзеге асырылуы мүмкін. Жұмыс режиміне байланысты, суперөткізгіш-изолятор-суперөткізгіш Джозефсон түйіні фотон детектор ретінде немесе араластырғыш ретінде қолданылуы мүмкін. Қалыпты күйден суперөткізгіш күйге өту кезіндегі кедергінің үлкен өзгеруі криогендік микрокалориметрлік фотон детекторларында термометрлерді жасау үшін қолданылады. Осы әсер суперөткізгіш материалдардан жасалған жоғары сезімтал болметрлерде де қолданылады. Суперөткізгіш наносымдарлы бір фотондық детекторлар жоғары жылдамдықпен, төмен шумен бір фотондық анықтауды ұсынады және кеңейтілген фотон санау қосымшаларында кеңінен қолданылады. Жоғары температуралық суперөткізгішке негізделген құрылғылардың тиімділігі, көлемі және салмағының артықшылықтары қосымша шығындардан басым келетін жаңа нарықтар пайда болуда. Мысалы, жел турбиналарында суперөткізгіш генераторлардың төмен салмағы мен көлемі құрылыс және мұнара шығындарын үнемдеуге мүмкіндік береді, генератордың жоғары құнын өтеуге және электр энергиясының деңгейленген өзіндік құнын (LCOE) төмендетуге мүмкіндік береді. Болашақтағы перспективалы қосымшаларға жоғары өнімділіктегі смарт желілер, электр қуатын беру, трансформаторлар, энергия сақтау құрылғылары, ықшам термоядролық қуат құрылғылары, электр моторлары (мысалы, көліктерді қозғалту үшін, вактрендерде немесе магниттік пойыздарда), магниттік левитация құрылғылары, ақаулық тогын шектегіштер, суперөткізгіш материалдармен спинтроникалық құрылғыларды жақсарту және суперөткізгіш магниттік салқындату кіреді. Алайда, суперөткізгіштік қозғалатын магнит өрістеріне сезімтал, сондықтан ауыспалы ток (мысалы, трансформаторлар) қолданатын қосымшаларды тұрақты токқа негізделгендерге қарағанда дамыту қиынырақ. Дәстүрлі электр желілерімен салыстырғанда, суперөткізгіш желілері тиімдірек және азырақ орынды қажет етеді, бұл экологиялық көрсеткіштерді жақсартады және электр желісін кеңейтуге қоғамдық қолдауды арттыруы мүмкін. Тағы бір тартымды өнеркәсіптік аспекті – төменгі кернеуде жоғары қуатты беру мүмкіндігі. Салқындату жүйелерінің тиімділігінің артуы және сұйық азот сияқты арзан салқындатқыштарды қолдану суперөткізгіштікке қажетті салқындату шығындарын айтарлықтай төмендетті.

Superconductors are promising candidate materials for devising fundamental circuit elements of electronic, spintronic, and quantum technologies. One such example is a superconducting diode, in which supercurrent flows along one direction only, that promise dissipationless superconducting and semiconducting superconducting hybrid technologies. Superconducting magnets are some of the most powerful electromagnets known. They are used in MRI/NMR machines, mass spectrometers, the beam steering magnets used in particle accelerators and plasma confining magnets in some tokamaks. They can also be used for magnetic separation, where weakly magnetic particles are extracted from a background of less or non magnetic particles, as in the pigment industries. They can also be used in large wind turbines to overcome the restrictions imposed by high electrical currents, with an industrial grade 3.6 megawatt superconducting windmill generator having been tested successfully in Denmark. In the 1950s and 1960s, superconductors were used to build experimental digital computers using cryotron switches. More recently, superconductors have been used to make digital circuits based on rapid single flux quantum technology and RF and microwave filters for mobile phone base stations. Superconductors are used to build Josephson junctions which are the building blocks of SQUIDs (superconducting quantum interference devices), the most sensitive magnetometers known. SQUIDs are used in scanning SQUID microscopes and magnetoencephalography. Series of Josephson devices are used to realize the SI volt. Superconducting photon detectors can be realised in a variety of device configurations. Depending on the particular mode of operation, a superconductor–insulator–superconductor Josephson junction can be used as a photon detector or as a mixer. The large resistance change at the transition from the normal to the superconducting state is used to build thermometers in cryogenic micro calorimeter photon detectors. The same effect is used in ultrasensitive bolometers made from superconducting materials. Superconducting nanowire single photon detectors offer high speed, low noise single photon detection and have been employed widely in advanced photon counting applications. Other early markets are arising where the relative efficiency, size and weight advantages of devices based on high temperature superconductivity outweigh the additional costs involved. For example, in wind turbines the lower weight and volume of superconducting generators could lead to savings in construction and tower costs, offsetting the higher costs for the generator and lowering the total levelized cost of electricity (LCOE). Promising future applications include high performance smart grid, electric power transmission, transformers, power storage devices, compact fusion power devices, electric motors (e. g. for vehicle propulsion, as in vactrains or maglev trains), magnetic levitation devices, fault current limiters, enhancing spintronic devices with superconducting materials, and superconducting magnetic refrigeration. However, superconductivity is sensitive to moving magnetic fields, so applications that use alternating current (e. g. transformers) will be more difficult to develop than those that rely upon direct current. Compared to traditional power lines, superconducting transmission lines are more efficient and require only a fraction of the space, which would not only lead to a better environmental performance but could also improve public acceptance for expansion of the electric grid. Another attractive industrial aspect is the ability for high power transmission at lower voltages. Advancements in the efficiency of cooling systems and use of cheap coolants such as liquid nitrogen have also significantly decreased cooling costs needed for superconductivity.