кольце
Хотелось бы обратить внимание читателей ПерсТ'а на интересный результат
работы [1], в которой рассматривается эффект Литтла-Паркса в неоднородном
сверхпроводящем кольце. Еще в 1962 году Литтл и Паркс [2] обнаружили, что
температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в
сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока)
зависит от величины магнитного потока. Этот эффект был объяснен М.Тинкхамом
[3], как одно из проявлений макроскопической квантовой природы
сверхпроводимости (см. также [4]). Периодическое смещение критической
температуры связано с квантованием скорости сверхпроводящих электронов,
аналогично тому, как это имеет место в атоме. Скорость стремится приобрести
минимально возможное значение. При потоке внутри цилиндра, кратном кванту
потока, минимально возможное значение скорости равно нулю. Но при потоке,
не кратном кванту, скорость не может быть равна нулю. Это приводит к
зависимости энергии сверхпроводящего состояния от потока и, как следствие,
к периодическому смещению критической температуры в магнитном поле. Это
смещение имеет заметную величину в кольце (цилиндре), радиус которого
сравним с корреляционной длиной [4].
М.Тинкхам [3] рассматривал однородное кольцо. В случае неоднородного
кольца, один участок которого имеет пониженную критическую температуру в
сравнении с другим [1], вследствие термодинамических флуктуаций на участке
с меньшим Тс при температурах, соответствующих резистивному переходу этого
участка, появляется напряжение, величина которого периодически зависит от
величины потока внутри кольца, с периодом, равным кванту потока. При
переходе в сверхпроводящее состояние участка с наименьшей Тс в кольце
возникает ток фиксированного направления, а при обратном переходе в
нормальное состояние на рассматриваемом участке появляется напряжение, так
как вследствие конечной индуктивности кольца ток не может затухнуть
мгновенно. При периодическом или хаотическом переводе участка с наименьшим
Тс из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно на нем возникнет
напряжение с постоянной составляющей, зависящей периодически от величины
магнитного потока внутри кольца. Итак, сверхпроводящее кольцо является
тепловой машиной, в которой тепловая энергия может быть преобразована в
электрическую энергию постоянного тока. Без учета флуктуаций максимальный
коэффициент полезного действия тепловой машины, реализуемый в цикле Карно,
пропорционален амплитуде изменения температуры [5].
Однако переход из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно может
происходить и без изменения температуры вследствие флуктуаций, если
разность энергий рассматриваемого участка в нормальном и сверхпроводящем
состояниях не превышает kBT. Это возможно вблизи критической температуры,
так как при Т=Тс эта разность равна нулю. Следовательно, постоянное
напряжение может возникать в неоднородном сверхпроводящем кольце и при
постоянной температуре, близкой к критической. Авторы дают подробное
объяснение необычному явлению.
A.V.Nikulov and I.N.Zhilyaev, "The Little-Parks Effect in an
Inhomogeneous Superconducting Ring." J. of Low Temp.Phys.
1998,112(3/4), p.227-236
W.A.Little and R.D.Parks, Phys.Rev.Lett.,1962, 9, p.9
M.Tinkham, Phys.Rev. 1963,129, p.2413
М.Тинкхам, Введение в сверхпроводимость. Атомиздат М.1980
Ч.Киттель, Статистическая термодинамика. "Наука", М., 1977
Резкий рост критической температуры "нового" ВТСП PrBa2Cu3Ox под давлением
В течение очень длительного времени после открытия ВТСП в 1986 году
господствовало мнение, что соединение PrBa2Cu3Ox является
"несверхпроводящим исключением" из ВТСП-серии ReBa2Cu3Ox (Re -
редкоземельный элемент). Какие только версии не выдвигались для объяснения
этого "факта": разрыв куперовских пар магнитными моментами атомов
празеодима, уменьшение концентрации носителей заряда или их локализация и
т.д. Эти споры закончились в 1996 году после открытия сверхпроводимости в
тонких пленках PrBa2Cu3Ox [1] и его последующего подтверждения другими
авторами [2]. Сверхпроводимость наблюдалась также и в монокристаллах
PrBa2Cu3Ox [3]. Причина того, почему один из двух (одинаковых на первый
взгляд) образцов PrBa2Cu3Ox является полупроводником, а другой -
сверхпроводником, пока однозначно не установлена, хотя и выяснено, что их
структуры несколько различаются (но весьма незначительно).
В этом году PrBa2Cu3Ox преподнес очередной сюрприз. Японские физики из
National Research Institute for Metals, Electrotechnical Laboratory и
Ibaraki University исследовали влияние высокого давления P на Tc
монокристалла PrBa2Cu3Ox с различным содержанием кислорода [4,5]. Величина
Tc определялась по нулю электросопротивления и при P=0 составляла 56.5 и
81К для x = 6.6 и 6.8 соответственно. Увеличение P привело к резкому росту
Tc образца с x = 6.6. На начальном этапе скорость роста Tc составляла
dTc/dP = 7.4К/ГПа. При P = 9.3ГПа (максимальное давление в этом
эксперименте) величина Tc возросла до 105К, причем производная dTc/dP при
таких высоких давлениях хоть и уменьшилась, но осталась положительной, то
есть максимум Tc еще не был достигнут. Этот результат резко контрастирует с
данными для ВТСП YBa2Cu3Ox, у которого при x = (6.8 ? 7) величина Tc почти
не зависит от P и остается на уровне около 90К вплоть до P = 10ГПа. По
мнению авторов [4,5] причина разного отклика PrBa2Cu3Ox и YBa2Cu3Ox на
высокое давление кроется в различном характере распределения носителей
заряда между структурными единицами элементарной ячейки и, соответственно с
его различным перераспределением под давлением. Интересно, что Tc
монокристалла PrBa2Cu3Ox с x = 6.8 увеличивается под давлением не так
быстро, как при x = 6.6, хотя и превышает 100К при P = 10ГПа.
H.A.Blackstead et al., Phys. Rev. B 54, 6122 (1996)
T.Usagawa et al., Jpn. J. Appl.Phys. (Part 2) 36, L1583 (1997)
Z.Zou et al., Jpn. J. Appl.Phys. (Part 2) 36, L18 (1997)
Z.Zou et al., Phys. Rev. Lett. 80, 1074 (1998)
J.Ye et al., Phys. Rev. B 58, 619 (1998)
Круглов нашел заменитель золота
Оговоримся, что в данном случае речь идет только о ВТСП токовводах.
Металлическая оболочка для ВТСП токовводов является предметом озабоченности
и технологов, и конструкторов. На сегодня ее оптимальный состав состоит из
серебра с 10%(!) золота. Дорого. А новую более дешевую оболочку ждут 1кА
токовводы, разработанные тандемом Кейлин-Шиков (см. ПерсТ, выпуск 7
текущего года). Поиском “заменителя золота” упорно занимались В.С.Круглов
(ИСФТТ РНЦ КИ) и И.И.Акимов (ВНИИНМ). И, как видно из представленной ниже
таблицы, их поиск завершился успехом. Даже 1% найденного заменителя
достаточно, чтобы составить здоровую конкуренцию золотосодержащим сплавам.
|Материал |r |r |
| |300 |300 |
| |/r |/r |
| |77 |4.2 |
|Ag |6.0 |102-|
| | |103 |
|Ag+1% Au |2.9 |4.9 |
|Ag+10% Au |1.4 |2.0 |
|Ag+1%X (без |1.1 |1.67|
|термообработки) | | |
|Ag+1%X (600оС, 0.5|2.1 |7.1 |
|час.) | | |
Известно, что токовводы – одно из (очень!) немногочисленных рыночных
ресурсосберегающих ВТСП изделий. По оценкам, применение ВТСП токоввода
увеличивает на 70% ресурс холодильного устройства. В конструкциях
токовводов из нормального металла существует два механизма теплопритока в
холодильник – джоулево тепло (особенно в длинных и тонких конструкциях) и
теплопроводность (особенно в толстых и коротких конструкциях). ВТСП
токоввод исключает часть теплопритока, обусловленную джоулевым теплом (во
всяком случае, в наиболее критической низкотемпературной части токоввода).
Этот факт сильно развязывает руки конструктору, допуская длинные и тонкие
конструкции. Однако, все ВТСП составы - очень хрупкие, для придания
прочности и гибкости их необходимо заключать в соответствующую оболочку.
Известна также привязанность ВТСП составов к хорошо теплопроводящему
серебру или сплавам на его основе. В частности, для оболочки токовводов,
как правило, используются сплавы Ag+N%Au. Поиски заменителя серебра пока не
найдены, но вот для золота, похоже, нашли. Из предложенного В.С.Кругловым и
И.И.Акимовым сплава Ag+1%X уже изготовлена стандартная трубка, которая
будет служить оболочкой для получения протяженного куска ВТСП ленты.
Подождем дальнейших результатов.
Продвижение накопителей в энергосистему штата Каролина
Недавно подписано соглашение между American Superconductor Corp. (ASC) и
Carolina Power & Light (CP&L) о поиске решений, основанных на использовании
сверхпроводниковых магнитных накопителей электроэнергии (SMES’ов) для
промышленных линий электропередач. Неблагоприятные погодные условия,
инциденты на транспорте и непредсказуемый выход из строя оборудования может
приводить к перерывам в подаче электроэнергии или к скачкам напряжения в
сети. Согласно оценкам, такие выходы из строя в электросети обходятся
американской промышленности ежегодно в миллиарды долларов за счет
повреждения оборудования и прерывания непрерывных производственных циклов.
Ситуацию могут в корне изменить сверхпроводниковые накопители. Серию таких
накопителей (SMES’ов) на основе электромагнитов из низкотемпературных
сверхпроводников на разные диапазоны мощности выпускает ф. ASC. Ее
продукция размещается на портативном трейлере длиной около 12м.
Используемая мощная электроника “чувствует” мгновенное перераспределение
мощности в сети и в течение 2 сек переключает сеть на питание от
накопителя. После стабилизации электрической мощности в сети осуществляется
обратное переключение. В текущем году ф. ASC успешно внедрила в НТСП
накопители ВТСП токовводы, уменьшив ежегодные эксплуатационные расходы для
потребителя на 55%.
В рамках подписанного соглашения ф. CP&L, электросистемой которой
пользуются более 1млн жителей штата Каролина, берет на себя маркетинговые
услуги по продвижению накопителей, а
ф. ASC – поставку устройств, обучение персонала и техническую поддержку
эксплуатации накопителей.
Для более полной информации контакт:
Kathy Cadigan
Corporate Communications,
American Superconductor Corporation,
Two Technology Drive,
Westborough, MA 01581;
phone (508) 836-4200 ext. 222.
Споры о биполяронной сверхпроводимости в ВТСП
Электрон-фононное взаимодействие проявляет себя по-разному: от сравнительно
слабой перенормировки массы носителей заряда (в металлах) до формирования
почти локализованных квазичастиц (в ионных кристаллах и оксидах). Такие
