Чуть более 10 лет назад в средствах массовой информации стали упоминаться такие понятия как "сверхпроводимость", " высокотемпературная сверхпроводимость", "низко - температурная сверхпроводимость" термины, которые ранее обычно употребляли только специалисты - физики. Сообщалось о революционном научном открытии, о прорыве в микроэлектронике и наступлении новой эры в техническом развитии общества.
Почему было уделено тогда, и тем более сегодня, такое внимание явлению, известному ученым и специалистам уже десятки лет, но с которым большинство людей сталкивались разве что в произведениях писателей-фантастов? В чем суть этого явления и какие оно сулит перспективы? Чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к истории открытия сверхпроводимости и поясним основные понятия, связанные с ним.
В 1911г. голландский физик Х. Камерлинг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление ртути при очень низких температурах, неожиданно для себя обнаружил, что при температуре , равной 4,15 К (это приблизительно - 2690С), сопротивление образца вдруг резко упало до нуля, в то время как такие прекрасные проводники, как золото и медь при тех же температурах имели весьма малое, но вполне измеримое остаточное сопротивление(10-9 Ом*см). Это явление Камерлинг-Оннес назвал "сверхпроводимость", а температуру Тс, при которой происходит переход из нормального в сверхпроводящее состояние, - "критической" или "температурой перехода".
Некоторое время спустя обнаружили, что подобный же эффект наблюдается и в других металлах, например, алюминии, свинце, индии. Из чистых металлов самую высокую Тс имеет ниобий: Тс(Nb)~10 К.
С течением времени учеными достигался дальнейший рост критических температур сверхпроводников. Правда, медленно, но довольно постоянными темпами (рис.1). И только в 1973 г. была зарегистрирована самая высокая Тс в сплаве ниобия с германием (NbGe) - 23,2 К.
В конце 1986 г. мир облетела сенсационная весть: ученые Ж. Бендорц и К. Мюллер, работающие в Цюрихе в исследовательской лаборатории известной компьютерной фирмы IBM, сообщили о зафиксированном ими резком падении сопротивления керамического металлооксидного образца Ba-La-Cu-O при температуре 35К! А вскоре поступило подтверждение других исследователей, в том числе российских, о наблюдении этого явления.
В первых числах марта 1987 г. стало известно о новом замечательном открытии: в Алабамском и Хьюстонском университетах группой М. К. Ву с сотрудниками на керамике Y-Ba-Cu-O (так называемой иттриевой керамике)была достигнута температура сверхпроводящего перехода Тс~92 К, что гораздо выше температуры кипения жидкого азота (77 К, или -1960С), дешевого и доступного хладагента, производимого промышленностью в больших количествах.
На сегодняшний день уже имеются материалы, в которых температура перехода в сверхпроводящее состояние достигает 135 К, и нет оснований полагать, что это уже предел.
Интерес к сверхпроводимости принял массовый характер. В терминологии физиков появились два понятия: "низкотемпературная сверхпроводимость" (НТСП) и "высокотемпературная сверхпроводимость" (ВТСП). Авторам открытия ВТСП Ж. Бендорцу и К. Мюллеру была присуждена Нобелевская премия.
В течении многих лет считали, что сверхпроводящее состояние, в первую очередь, характеризуется бесконечной проводимостью. В 1933 г. немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом было открыто второе фундаментальное свойство сверхпроводников - идеальный диамагнетизм. Эффект Мейснера (рис. 2)состоит в том, что при охлаждении массивного сверхпроводника ниже температуры перехода происходит выталкивание магнитного поля из толщи сверхпроводника образца в окружающее магнитное поле, так что внутри образца (за исключением тонкого поверхностного слоя толщиной 100...1000 ангстрем) оно всегда равно нулю. Именно эти два свойства - бесконечная проводимость и идеальный диамагнетизм - являются главными характеристиками сверхпроводимости.
Исследования открыли ещё один важный эффект. Если увеличивать напряженность магнитного поля, то при некоторой величине его Н=Нс, называемой "критическое магнитное поле", сверхпроводимость скачком исчезает и образец переходит в "нормальное" состояние. То же самое происходит при увеличении тока, пропускаемого через сверхпроводник. Сверхпроводимость разрушается при достижении током критической величины I=Ic.
Позднее было обнаружено, что в зависимости от вида взаимодействия с магнитным полем сверхпроводники делятся на два типа: сверхпроводники 1-го рода - как правило, чистые металлы и сверхпроводники 2-го рода, к которым относится большинство сплавов, чистый ниобий и вновь открытые высокотемпературные металлооксидные сверхпроводники.
Сверхпроводники 1-го рода, характерная особенность которых состоит в том, что они полностью выталкивают магнитный поток из своего объема, все имеют критические магнитные поля ниже 100 мТл, при этом они скачком переходят из сверхпроводящего состояния в нормальное.
У сверхпроводников же 2-го рода, существование которых впервые было предсказано в 1952 г. одним из основоположников теории сверхпроводимости российским ученым А. А. Абрикосовым, при величине внешнего поля Н=Нс1 (первое критическое поле) реализуется смешанное состояние (рис. 3), в котором сверхпроводник как бы пронизан тонкими нитями или цилиндриками (диаметром порядка 10 см), состоящими из нормальной фазы металла и ориентированными по полю Н. Через каждую такую нить ("абрикосовский вихрь") в металл проникает ровно один квант потока магнитного поля Фс.
Таким образом, внешнее магнитное поле присутствует в образце, хотя в пространстве между вихрями сверхпроводимость сохраняется и, следовательно, сопротивление образца остается равным нулю. С увеличением Н число вихрей растет, а расстояние между ними уменьшается, т.е. внешнее поле как бы сжимает решетку вихрей до тех пор, пока они не сольются и не произойдет полное разрушение сверхпроводимости при Н=Нс2 (второе критическое поле). Величина Нс2 составляет десятки Тл. Только после открытия сверхпроводников 2-го рода, преодолев огромные трудности, инженеры и технологи создали мощные магниты, которые позволяют получить постоянные поля напряженностью до 20 Тл.
Важными свойствами сверхпроводимости являются квантование магнитного потока, а так же то, что сверхпроводимость наступает, когда электроны объединяются попарно.
Остановимся еще на одном удивительном эффекте, который послужил основой для применения сверхпроводников в системах связи, в электронике, информатике, приборостроение. В 1962 г. Брайан Джозефсон, тогда еще студент-дипломник Кембриджского университета, буквально "на кончике пера" предсказал замечательное явление в сверхпроводниках. Опираясь на чисто теоретический анализ, он пришёл к выводу, что сверхпроводящий ток, определяемый парами электронов, может протекать, или "туннелизировать" через пленку изолятора, разделяющую два сверхпроводника, если толща её незначительна. Он предсказал два явления, которые вскоре были подтверждены экспериментально и называются теперь "эффектами Джозефсона", а область контакта двух сверхпроводников называют "джозефсоновским переходом". С течением времени устройства на основе джозефсонофских переходов нашли широчайшее применение в сверхпроводниковой электронике, а сам Б. Джозефсон был удостоен Нобелевской премии.
Такой эффект наблюдается, если между двумя сверхпроводниками создать достаточно тонкую прослойку из изолятора, полупроводника или металла в нормальном состоянии либо соединить их очень узким и коротким перешейком (пленочный мостик или точечный контакт ), либо нанести поперёк тонкой сверхпроводящей пленки узкую полоску "нормального металла", словом, создать структуру из слабосвязанных сверхпроводников (рис. 4,а). Эффект, называемый "стационарным эффектом Джозефсона", заключается в том, что ток, пропускаемый через переход, течет не создавая падения напряжения на переходе, т. е. он содержит сверхпроводящую компоненту. Если величина пропускаемого тока превышает некую критическую величину, переход обретает активное сопротивление и индуктивность и, следовательно, на нем возникает разность потенциалов. Для этого случая Джозефсон предсказал еще более удивительный эффект: при появлении постоянного напряжения U через переход должен протекать высокочастотный ток, излучающий электромагнитные волны с частотой в десятки и сотни гигагерц. Этот эффект зарегистрирован несколько позднее и получил название "нестационарного эффекта Джозефсона".
Обнаружение высокочастотного излучения радиоволн при нестационарном эффекте Джозефсона открыло широкие возможности его использования в радиоэлектронике. Но на практике реализовать такие устройства оказалось сложно, так как сверхвысокочастотное излучение трудно вывести наружу из перехода, находящегося в жидком гелии, да и мощность излучения для этого слишком мала - триллионные доли ватта. Однако в настоящее время джозефсоновские переходы успешно используют в качестве самых чувствительных приемников электромагнитного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. С помощью таких приемников, установленных на радиотелескопах, исследуется удаленные источники радиоизлучения Вселенной. Они нашли применение, в частности, на радиотелескопах в России и позволили на порядок повысить чувствительность приемных систем.
Уже созданы приемные устройства различного назначения. Так, радиоприемники для радиоастрономических и экологических наблюдений прямого детектирования используются для регистрации широкополосного излучения, их чувствительность достигает одной сотой К. Они предназначены в основном для поиска и регистрации объектов слабого радиоизлучения, таких, например, как газопылевые облака, связанные с процессом формирования звёзд и планетных систем.
Когерентные радиоприемники, в состав которых входят гетеродинные смесители и параметрические предусилители, служат в радиоастрономии для приема узкополосного излучения и предназначены, например, для определения молекулярных линий. Наиболее широкое распространение получили гетеродинные приёмники со смесителями на основе туннельных переходов СИС ( сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник).
Сверхмалошумящие СИС - смесители, работающие при температуре жидкого гелия, являются наилучшими входными устройствами в диапазоне 1
В настоящее время такие приёмники работают на радиотелескопах миллиметрового диапазона по меньшей мере в шести обсерваториях мира и служат для получения ценных астрономических данных.
Тонкоплёночные туннельные СИС - переходы совместимы с другими сверхпроводниковыми компонентами приёмника, изготавливаемыми с помощью литографии. В Институте радиотехники и электроники РАН (ИРЭ) создан и проходит испытания полностью сверхпроводниковый интегральный приёмник субмиллиметровых волн(400...500 ГГц). В этом приёмнике совместно работают согласующие устройства, СИС - смеситель, генератор гетеродина на джозефсоновских переходах и другие сверхпроводящие элементы. Совместно с Институтом космических исследований Голландии в ИРЭ ведутся работы по конструированию матрицы таких приёмников размерами 3х3 элемента, которую предполагается установить на европейском космическом радиотелескопе, планируемом к запуску в 2005 году.
Одно из наиболее важных и широко применяемых сверхпроводниковых устройств - сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД), в основе работы которого лежат два физических явления: стационарный эффект Джозефсона и эффект квантования магнитного потока.
СКВИД, состоящий из двух переходов, включённых параллельно и работающих при постоянном токе смещения (см. рис. 4, б), называется СКВИД постоянного тока (ПТ СКВИД).В настоящее время в электронике получили наибольшее распространение ПТ СКВИДы, изготовленные по тонкоплёночной технологии.
Схема СКВИДа представляет собой замкнутый контур из сверхпроводника с четырьмя выводами, служащими для подачи тока и снятия напряжения, в который включены, два джозефсоновских перехода.
Характерная особенность СКВИДа состоит в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, напряжение на выходе этого устройства периодически изменяется, причем период равен кванту Ф0 магнитного потока. Эта зависимость позволяет создать на основе СКВИДов чувствительнейшие измерители вариаций магнитного поля. С их помощью можно измерять практически любые физические величины, преобразуемые в магнитный поток, такие как напряженность магнитного поля, градиент напряженности, электрический ток и напряжение, магнитная восприимчивость и смещение. Этим и объясняется, что активные сверхпроводящие элементы, джозефсоновские переходы и СКВИДы, создаваемые на базе НТСП и ВТСП, всё ускоряющимися темпами внедряются в современную радиоэлектронику.
На основе низкотемпературных (гелиевых) СКВИДов созданы чувствительнейшие вольтметры и усилители, шумы которых приближаются к квантовому пределу. Сверхчувствительные магнитометры, измеряющие вариации магнитных полей с разрешением до 10 Тл - это уже промышленная продукция, находящая широкое применение в измерительной технике. Например, они позволяют производить измерения очень малой магнитной восприимчивости незначительных количеств вещества. С помощью устройств на СКВИДах удалось измерить предельно малую восприимчивость белков. Эти приборы использовались для измерения магнитного момента образцов лунного грунта.
Другая важная область применения СКВИДов - геофизика. Здесь они используются при изучении магнитных свойств горных пород. Они весьма перспективны при разведке нефтяных источников и изучении сейсмической активности.
Остановимся немного подробнее на двух, имеющих общие черты областях применения СКВИД - магнитометров. Это бесконтактное диагностирования человека и неживых объектов. СКВИД, как внешний зонд, может быть расположен вблизи исследуемого объекта, никоим образом не воздействуя на него и не нарушая его целостности. Для измерения магнитных полей человека или при биомагнитных исследованиях уже создаются многоканальные системы на основе охлаждаемых гелием СКВИДов. Они применяются во многих клиниках мира для наблюдения и анализа магнитных полей, обусловленных сердечной деятельностью (магнитокардиограмма - МКГ), деятельностью мышц (магнитомиограмма - ММГ), мозговой деятельностью (магнитоэнцефалограмма - МЭГ). Размещая СКВИД - датчики вблизи брюшной полости роженицы, возможно следить за сердцебиением плода.
Для исследования деятельности мозга человека в Финляндии разработаны "шлемы", содержащие свыше 120 СКВИД - датчиков. В Японии прошла испытания 256-канальная система. И это - на низкотемпературных, охлаждаемых жидким гелием СКВИДах! При создании таких систем, кроме стандартных требований к этим приборам - низкого шума, высокой скорости слежения, долго временной стабильности и т.п., - одновременно решаются проблемы миниатюризации цепей и охлаждающих устройств, создание малоразмерной и дешёвой электроники, уменьшение взаимного влияния каналов и многое другое
Открытие высокотемпературных сверхпроводников и прогресс технологии создания малошумящих СКВИДов, приближающихся по своим характеристикам к низкотемпературным, но работающих при азотном охлаждении, во многом упростили проблему их внедрения в аппаратуру теле коммутационных комплексов. Весьма важно то, что теперь произошло перекрытие диапазонов рабочих температур сверхпроводниковых устройств. В результате возникла возможность разработки гибридных устройств, открывающая принципиально новые перспективы в системах связи. Уже в приёмниках станций сотовой и персональной связи, работающих на частотах от 800 МГц до 2 ГГц, пользуются супер - узкополосные сверхпроводящие фильтры из высокотемпературных сверхпроводящих плёнок . Разработаны и проходят испытания резонаторы, мультиплексоры, линии задержки и прочие пассивные элементы радиоэлектроники. Их достоинствами, по сравнению с элементами из не сверхпроводящих материалов, являются более низкие потери, узкополосность, компактность и температурная стабильность. Например, сверхпроводящие резонаторы позволяют получать значения добротности 1011 - это в миллион раз выше, чем в конструкциях с омеднёнными или посеребрёнными стенками.
В последнее время проявляется огромный интерес к развитию техники, способной представить пространственное изображение источников магнитного поля. Основной мотив здесь, конечно, желание понять структуру и динамику магнитных вихрей как в низко-, так и в высокотемпературных сверхпроводниках. Прикладной интерес связан с получением магнитных изображений для биомедицинских приложений и неразрушающего контроля материалов.
Поэтому получила развитие совсем новая область применения СКВИД - магнитометров - сканирующая СКВИД - микроскопия. Только подобный микроскоп даёт не оптическое изображение исследуемого образца, а магнитное, т. е. При перемещении образца относительно СКВИД - датчика регистрируется величина магнитного потока и визуализируются его пространственные вариации над поверхностью образца. Так как СКВИДы - чувствительнейшие датчики магнитного потока, то с их помощью можно исследовать магнитные поля от мизерных объёмов вещества, например, тончайших ферромагнитных и сверхпроводящих плёнок. Источниками поля могут является либо микроскопические магнитные включения, либо протекающие токи. Используя микроскоп на основе гелиевого СКВИДа, обладающего пространственным размещением менее 10 мкм и чувствительностью к магнитному потоку порядка 10-6 Фо, в исследовательских лабораториях фирмы IBM получены изображения как единичных вихрей магнитного потока, проникающих в плёнку сверхпроводника, так и целых ансамблей.
Примером практического применения азотного СКВИД - микроскопа является сканирование слабонамагниченных объектов, таких, например, как специальные чернила или краски на ценных бумагах.
Огромные перспективы открывают сверхпроводниковые методы в энергетике. В энергосистеме Женевы заработал первый в мире трёхфазный распределительный трансформатор, охлаждаемый жидким азотом, намотки которого выполнены из ВТСП материала. При значительно меньших потерях он более компактный и вдвое легче традиционного трансформатора с медной намоткой. Разрабатываемые ВТСП - токоограничители (приборы, ограничивающие ток короткого замыкания) стали предметом реальной энергетики. Уже эксплуатируется такое устройство на основе ВТСП - технологии на одной из гидростанций. Приборы с электромагнитами, изготовленными из ВТСП провода, работают в ряде учреждений.
Понятен всё возрастающий интерес к сверхпроводниковой технологии и сверхпроводниковым материалам у компьютерной отрасли техники. Более двух десятилетий ведутся работы по созданию сверхпроводниковых запоминающих устройств (ЗУ). Сначала было предложено и изучено простейшее устройство - криотрон, состоящий из танталовой проволоки и ниобиевой катушки. В нём реализуются два состояния сверхпроводящее и резистивное, возможно переключение одного в другое, т. е. криотрон действует как простейший элемент памяти. Он прост по конструкции и отличается малой рассеиваемой мощностью, однако быстродействие его ограничено и составляет 10-3...10-4с, что явно недостаточно для современных вычислительных машин.
Создание плёночных ЗУ позволило увеличить их быстродействие до 10-7с. Но и это оказалось недостаточным для современных ЭВМ. Только используя низкотемпературные джозефсоновские переходы, удалось создать такие элементы памяти, время срабатывания которых достигло порядка 10-10...10-11с, а энергия, выделяемая при переключении, составила 10-17Дж. Развитие тонкоплёночной сверхпроводниковой технологии позволяет реализовать высокую плотность монтажа до порядка 10-5...10-6 элементов на плате. Таким образом имеются все предпосылки для создания мощной ЭВМ с производительностью 1010 операций в секунду и рассеиваемой мощностью менее одного ватта. И хотя на пути ещё немало нерешённых проблем, но уже не за горами то время, когда заработает первая супер - ЭВМ на сверхпроводящих элементах, в том числе и на базе ВТСП.
Работы в области сверхпроводимости дали мощный импульс инженерным и технологическим разработкам и вызвали оживление на рынке сверхпроводниковых материалов и устройств. На семинаре в Хьюстоне, в 1977 г., посвящённом высокотемпературной сверхпроводимости, было заявлено, что следующее десятилетие станет декадой завоевания рынка с перспективой миллионных долларовых доходов от продаж сверхпроводящих устройств.
Таким образом, фундаментальные исследования сверхпроводимости привели к развитию новой области техники - прикладной сверхпроводимости, ставшей одним из решающих факторов научно - технического прогресса.
Список литературы
Журнал "Радио" 1998 г. №10,№11