Высокотемпературные сверхпроводники

В 1911 году Г. Камерлинг-Оннес открыл замечательное явление: при температуре жидкого гелия (4,2 К) электрическое сопротивление ртути скачкообразно уменьшается до нуля. Впоследствии было обнаружено, что этим свойством обладают многие металлы (алюминий, свинец, цинк и др.), их сплавы, интерметаллические соединения, многие полупроводники. При очень низких температурах (0,14 – 20 К) эти материалы не оказывают сопротивления электрическому току, т.е. являются абсолютными проводниками. Это явление получило название сверхпроводимости. Физическая природа сверхпроводимости была понята только в 1957 г., это макроскопический квантовый эффект.

Легко представить себе преимущества использования материалов без электрического сопротивления. Сотни электростанций перестали бы тратить немалую часть выработанной энергии на бесполезный нагрев проводов линий электропередач. Однако практическое применение сверхпроводников затруднено из-за низких температур перехода в сверхпроводящее состояние. Для включения в конструкции сверхпроводящих материалов необходимо применять хладагенты (жидкие гелий, азот, ксенон), что неизбежно приводит к усложнению конструкций и увеличению их стоимости.

В 1986 г. было сделано важное открытие: обнаружены твердые соединения на основе меди и кислорода, переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 90 К. Эти материалы были названы высокотемпературными сверхпроводниками. Типичный состав высокотемпературных сверхпроводников – YBa₂Cu₃O_x (x равен примерно 6,5, что указывает на дефицитную по кислороду кристаллическую решетку). Иттрий в этих соединениях может быть заменен любым лантаноидом, а барий – кальцием или стронцием. Такие замещения слабо влияют на критическую температуру – она остается в пределах 85 – 98 К.

Следующий важный шаг в повышении критической температуры был сделан несколько лет назад, когда появились сообщения о том, что синтезирован материал на основе оксида меди, стронция и кальция, переходящий в сверхпроводящее состояние уже при 170 К (т.е. почти при –100°С). Такое состояние можно реализовать не только с помощью жидкого азота с температурой кипения –196°С, но и с помощью более дешевого хладагента – жидкого ксенона с температурой кипения –108°С.

В настоящее время обнаружены и активно исследуются керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при температуре выше 100 К. Однако в целом до решения проблемы высокотемпературной сверхпроводимости очевидно еще далеко.