Штурм абсолютного нуля - Бурмин Генрих Самойлович Страница 29

Опыт увенчался успехом.

Температура сверхпроводящего перехода соединения лантан — стронций — медь — кислород оказалась равной 36К при нормальном атмосферном давлении.

Итак, после многолетних поисков застарелый рекорд 1973 года (23,4К) был превзойден почти на 13 кельвинов.

После такого выдающегося успеха все крупные лаборатории мира, занимающиеся изучением сверхпроводимости, активно включились в поиск и исследование новых металлооксидных сверхпроводников.

В первых главах книги мы рассказали о том, как ученые наперегонки стремились ворваться в область абсолютного нуля температуры.

Теперь перед соревнующимися предстала обратная задача: вырваться подальше из плена гелиевых температур.

И на этот раз, сделав стремительный рывок, вышла вперед группа Чу.

Сначала Чу решил еще сильнее «сжать» исходное вещество, заменив стронций элементом с еще меньшей атомной массой — кальцием.

Но увы! Температура сверхпроводящего перехода упала до 20К.

Казалось, дело зашло в тупик.

Тогда Чу предложил взяться за лантан — редкоземельный компонент соединения.

Мо Куэн Ву, бывший аспирант Чу, возглавляющий часть его группы, которая работала в Ала бамском университете, заменил лантан другим редкоземельным элементом — иттрием.

…Был на исходе январь 1987 года. Мир еще не знал о событиях, происходящих в те дни в стенах университетской лаборатории в городе Ханствилл, на юге США.

Приготовив образец соединения иттрий — барий- медь — кислород, Ву и его коллеги приступили к испытаниям… К их изумлению, электрическое сопротивление образца начало резко падать при неправдоподобно высокой температуре 93К.

«Мы были так возбуждены и так нервничали, — вспоминает Ву, — что руки у нас тряслись. Сначала мы подозревали, что произошла ошибка».

Повторив через несколько дней эксперимент, Чу и Ву добились перехода вещества в сверхпроводящее состояние еще при более высокой температуре: 98К.

Почти одновременно образцы иттрий — бариевой керамики с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100К были получены группой А. И. Головашкина в лаборатории сверхпроводимости Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР, а также в ряде других лабораторий и институтов Советского Союза.

Такие сверхпроводники можно охлаждать жидким азотом (температура его кипения 77К).

Нетрудно представить, насколько проще, дешевле и надежнее сделаются сверхпроводящие устройства, охлаждаемые жидким азотом. Это легкодоступное вещество, извлекаемое почти в буквальном смысле слова из… воздуха. Достаточно сказать, что литр жидкого азота стоит меньше, чем, скажем, литр молока или литр лимонада, а хранить его можно в обычном термосе.

Открытие керамических высокотемпературных сверхпроводников вызвало интерес во всем мире. В промышленно развитых странах возрастающими темпами разворачиваются работы по дальнейшему усовершенствованию высокотемпературных сверхпроводников, созданию новых сверхпроводящих устройств.

Взгляните на график, иллюстрирующий рост критической температуры сверхпроводников в течение календарного времени.

На протяжении многих десятилетий эта кривая медленно, словно нехотя, поднималась вверх.

За период с 1911 по 1986 год, то есть за 75 лет, критическую температуру удалось увеличить всего на 20 кельвинов, то есть прирост составлял в среднем чуть больше четверти кельвина в год. Легко рассчитать, что при дальнейшем продвижении такими темпами исследователи достигли бы рубежа азотных температур где‑то в середине XXII века.

Как в природе, так и в обществе периоды плавного эволюционного развития сменяются революционными скачками.

Революция в области сверхпроводимости произошла в конце 1986—начале 1987 года, когда критическая температура увеличилась скачком на 70 кельвинов (жирный участок кривой на графике).

В дни, когда пишутся эти строки, революция в области сверхпроводимости продолжается.

130… 150… 170… 200… и даже 500 кельвинов… Такие сообщения о достигнутой температуре сверхпроводящего перехода поступают из разных источников.

Какие из этих результатов окажутся достаточно достоверными, а кто в пылу «сверхпроводящей лихорадки» принял желаемое за достигнутое, пока сказать трудно.

Трудные ступени критической температуры сверхпроводников: 1— ртуть; 2— свинец; 3— ниобий; 4— ниобий — олово; 5— ниобий — германий; 6— лантан — стронций — медь-кислород; 7— иттрий — барий — медь — кислород. Температура кипения: А — жидкого гелия, Б — жидкого водорода, В — жидкого азота.

Согласно поверью древних, Земля стоит на трех китах.

Три «кита», на которых держится сверхпроводимость, это — критическая температура, критическое магнитное поле и критический ток.

Варьируя состав керамики иттрий — барий- медь — кислород, исследователи получили соединение, которому присвоили название: фаза «один- два — три», отражающее количественное соотношение его составляющих — иттрия, бария и меди.

Критическая температура этого соединения, в зависимости от способа приготовления образцов и режима их термообработки, лежит в пределах 94—98К, что примерно на 20 кельвинов выше точки кипения жидкого азота.

Рассказывая об истории открытия высокотемпературных сверхпроводников, автор намеренно избегал термина «критическая температура». У первых керамических высокотемпературных сверхпроводников переход в сверхпроводящее состояние был «размыт»: электрическое сопротивление не сразу падало до нуля, а лишь при дополнительном охлаждении на несколько, а порой на десяток кельвинов.

У иттрий — бариевых сверхпроводников состава «один — два — три» при достижении критической тем — пературы электрическое сопротивление почти сразу падает до нуля.

Примечательно, что в данном случае цифры «один — два — три» оказались «магическими».

Все соединения типа иттрий — барий — медь — кисло- род состава «один — два — три», в которых вместо иттрия последовательно брали редкоземельные элементы: скандий, европий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, являются сверхпроводниками с критической температурой от 85 до 96К.

Еще раз автор напоминает читателю, что при критической температуре критическое магнитное поле и критический ток равны нулю и увеличиваются по мере отхода от критической в сторону более низких температур.

Поэтому особое значение приобретает то обстоятельство, что иттрий — бариевые сверхпроводники можно охлаждать с помощью жидкого азота до температуры на 20К ниже критической. Такой «запас прочности» обеспечивает получение достаточно больших критических магнитных полей и критических токов.

Верхнее критическое магнитное поле иттрий — ба- риевых сверхпроводников достигает 100 тесла, что значительно превышает прежний рекорд 60 тесла, наблюдаемый у одного из соединений на основе сульфидов молибдена. Помните, об этом рассказывалось в шестой главе.

Еще сравнительно недавно исследователей удручало, что критический ток керамических сверхпроводников имеет мизерную величину, значительно меньшую, чем у «классических» сверхпроводников. Плотность критического тока не превышала нескольких ампер на квадратный сантиметр.

Путем усовершенствования технологии изготовления удалось увеличить плотность критического тока иттрий — бариевых сверхпроводников до 10 тысяч ампер на квадратный сантиметр. Иными словами, через стержень сечением в один квадратный сантиметр, охлаждаемый жидким азотом, можно пропускать без каких‑либо потерь ток силой десять тысяч ампер.

Значительно большая плотность критического тока получена на керамических сверхпроводящих пленках.

Оригинальный способ синтеза сверхпроводящих пленок методом напыления с помощью лазера разработан в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР. Такая пленка отличается высокой стабильностью, а плотность тока составляет 2,6 миллиона ампер на квадратный сантиметр.