Применение высокотемпературных сверхпроводников (втсп). Открыт новый тип высокотемпературных сверхпроводников Керамические сверхпроводники

Высокотемпературные сверхпроводники, как правило, имеют зернистую текстуру , они состоят из зерен – кристаллитов, соединенных между собой. Области соединения являются сильнодефектными, поэтому различают свойства внутригранульные и межгранульные. Например, внутригранульный критический тип много больше межгранульного. В данном разделе мы рассматриваем структуру гранулы или монокристалла. Как уже было отмечено, иттриевые, висмутовые, таллиевые и ртутные ВТСП соединения принадлежат к слоистым металлооксидам. В то же время соединения на основе висмута, таллия имеют плоскости атомов меди и кислорода, а соединения на основе иттрия содержат как плоскости, так и цепочки Cu – O. Роли цепочек и плоскостей в ВТСП материалах посвящены многочисленные работы. В настоящее время считается, что плоскости играют определяющую роль в сверхпроводимости, а цепочки служат и емкостью для электронов. Они могут быть или заполненными, или пустыми, в зависимости от содержания кислорода и легирующих примесей. Если число атомов кислорода в элементной ячейке изменяется, изменяется температура перехода или сверхпроводимость вовсе теряется. Кислородные вакансии находятся в основном в пределах одной цепочки. Например, в соединении YBa 2 Cu 3 O 7- d при d<1 существуют упорядоченные массивы цепочек, имеющих недостаток кислорода, при d=1 цепочки отсутствуют.

Можно получить серию веществ на основе висмута, таллия или ртути с различным стехиометрическим составом; при этом в элементарной ячейке будет содержаться различное число плоскостей, различными будут и свойства ВТСП, в частности, температура перехода. Также сверхпроводники объединяются общей формулой с переменными стехиометрическими коэффициентами (см. табл. 2.1). Так, например, соединения Tl-2212, Tl-2223 и Tl-2201 имеют общую формулу:

Tl 2 Ba 2 Ca n -1 Cu n O 2 n+4 , (2.1)

где n – принимает значения 2, 3, 1 соответственно, и показывает число CuO слоев.

Таблица 2.1

Основные свойства некоторых ВТСП

№ п/п	Соединение (сокр. обозн.)	Сингония	Размеры элементарной ячейки, А 0	Т СП
	(La 1-x Sr x)CuO 4	Тетрагональная	a=b=3,78 c=13,2	37,5
	YBa 2 Cu 3 O 7-x (Y-123)	ромбическая	a=3,82 b=3,88 c=13,2
	Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 (Bi-2212)	ромбическая	a=5,41 b=5,42 c=30,9
	Bi 4 Sr 4 CaCu 3 O 14 (Bi-4413)	ромбическая	a=5,411 b=5,417 c=27
	Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Bi-2223)	ромбическая	a=5,41 b=5,41 c=37,1
	Tl 2 Ba 2 CuO 6 (Tl-2201)	ромбическая	a=5,411 b=5,473 c=23,24
	Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 (Tl-2212)	тетрогональная	a=b=3,86 c=29,3
	Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Tl-2223)	тетрогональная	a=b=3,85 c=35,9
	HgBa 2 CuO 4 (Hg-1201)	тетрогональная	a=b=3,86 c=9,51
	HgBa 2 CaCu 2 O 6 (Hg-1212)	тетрогональная	a=b=3,86 c=12,7
	HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 (Hg-1223)	тетрогональная	a=b=3,86 c=15,9

Аналогично можно записать общие формулы для висмутсодержащих или ртутьсодержащих ВТСП групп:

Bi 2 Sr 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4 , (2.2)

HgBa 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +2 , (2.3)

Как оказалось изготовить однофазные образцы висмутовых, таллиевых и др. соединений довольно сложно. Обычно получается комбинация фаз, каждая из которых имеет свое число слоев CuO и CaO на ячейку и свои критические параметры. Это вызывает наличие не критической температуры, но температурного интервала в 4-6 К.

Такое «сосуществование» затрудняет темпы проведения ряда экспериментов, связанных с учетом характеристик конкретной фазы или ее поведения в магнитном поле и т.д.

Как уже отмечалось, структура ВТСП материалов, особенно внутри групп (2.1), (2.2) и других, имеет общие элементы. Поэтому рассмотрим структуру фаз: YBa 2 Cu 3 O 7- x (ромбическая сингония) и Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 в качестве примеров.

Рис. 2.1. Кристаллическая структура YBa 2 Cu 3 O 6,5+ d , δ ≈ 0,5;
● – Ba, ▲ – Y, – Cu, ○ – O

Структура фазы (Y-123) показана на рис. 2.1. Ее можно представить в виде последовательности слоев, расположенных перпендикулярно оси с:

… (CuO )(BaO)(CuO 2)(Y)(CuO 2)(BaO)(CuO ) … (2.4)

где  – вакансия атома кислорода.

Особенностью данной структуры является относительная легкость изменения ее кислородной стехиометрии, при этом состав медного слоя (Z=0) изменяется от CuO 2 (d=-0,5) до (CuO ) (d=0,5).

При d = -0,5 элементарная ячейка тетрагональная и состав YBa 2 Cu 3 O 6 обладает полупроводниковыми свойствами. Однако при d ³ -0,2 структура становится ромбической (a¹b) вследствие заселения атомами кислорода позиций в плоскости (x,y,o) и обладает сверхпроводниковыми свойствами. При этом с возрастанием d происходит увеличение T С .

Введение дополнительных катионов в ВТСП может преследовать три цели. Во-первых, это поиск новых сверхпроводников или увеличение температуры перехода уже существующих, во-вторых, – усиление фазообразования и, наконец, в-третьих, – дополнительные катионы могут вводиться с целью увеличения пиннинга магнитных вихрей, как на включениях получающихся несверхпроводящих фаз, так и на дефектах структуры образующихся при этом.

Необходимо отметить, что замещение атомов иттрия на иные, изменяет свойства соединения.

Так, замещение атомов иттрия на атомы празеодима приводит к потере сверхпроводимости. Замещение атомов иттрия на атомы тория сдвигает температуру перехода (Т С =67 К). Легирование иттриевой керамики некоторыми лантанидами может оказаться перспективным, поскольку существенно изменяет температуру перитектического распада фазы Y-123. Дело в том, что иттриевая позиция представляет собой слабое место в структуре сверхпроводящей фазы, поскольку ион иттрия сжимает структуру, создает структурные искажения. Так, замена атомов иттрия на атомы с более крупным радиусом (Na 3+ ,S 3+ , En 3+ , Gd 3+ и др.) стабилизирует структуру и обеспечивает более высокие характеристики ВТСП материалов.

Например, японские специалисты склоняются к полному замещению иттрия в структуре на неодим.

Замещение атомов меди на другие, как правило, приводит к снижению температуры перехода до 60 – 65 К.

В завершение необходимо отметить, что кроме рассмотренной фазы Y-123 могут образоваться и другие сверхпроводящие фазы: YBa 2 Cu 4 O 8, Yba 4 Cu 7 O 14 с температурами перехода соответственно 80 К и 40 К.

Структура другого популярного ВТСП, соединения Bi-2212 показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Модель структуры Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8:
● – Bi, Δ – Sr, ▲- Ca, ■ – Cu, ○ – O

Необходимо отметить, что структуры висмутовых и таллиевых ВТСП материалов имеют много общего и представляют собой когерентное срастание блоков перовскита и NaCl. В данном случае набор плоскостей по оси С выглядит следующим образом:

(CuO 2) (Ca )(CuO 2)(SrO)(OBi)(BiO)(OSr)(O 2 Cu) … (2.5)

В данной структуре первые 3 плоскости соответсвуют перовскитному блоку, а последние 5 – блоку по типу NaCl. Атом кальция занимает позицию, аналогичную позиции иттрия (рис. 2.1) и обладающую высокой концентрацией анионных вакансий.

В настоящее время проведено много работ, связанных с введением каких-либо добавок в сверхпроводники ряда BiSr 2 Ca n -1 Cu n O x . Это могут быть катионы, замещающие позиции в кристаллической решетке, или нейтральные добавки. К примеру, катион Pb 2+ позволяет улучшить электрофизические характеристики сверхпроводника, в частности, увеличить его критический ток. Замещение редкоземельными элементами и замещение свинцовых катионов приводит к увеличению пиннинга, а последнее увеличивает и значение критического магнитного поля. Введение серебра также позволяет увеличивать критический ток.

В завершение разговора о структуре ВТСП кристаллов, следует выделить основные характеристики , обоснование которых выходит за рамки данного пособия, но которые являются общими для всех полученных материалов:

1. Структуры фаз являются производными от структуры перовскита .

2. Структуры имеют большое число анионных вакансий , концентрацию которых можно варьировать (температура и скорости обжига, время и давление выдержки в кислороде и т.д.).

3. В структурах имеются атомы меди в различных степенях окисления (II и III). Вследствие изменения количества атомов кислорода в структуре происходит понижение уровня Ферми и образование дырок.

4. Структуры ВТСП фаз – слоистые , непременным их элементом является наличие плоскостей (CuO 2). Образование слоистых структур происходит либо из-за упорядочения анионных вакансий, либо из-за нарушения идеальной последовательности слоев вдоль оси 4-го порядка.

5. В этих перовскитоподобных структурах В-позиции заняты только атомами меди. Синтез структур с иными атомами в В-позициях пока результатов не дал.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные типы ВТСП материалов.

2. Каковы особенности структуры ВТСП материалов?

3. Как влияют примеси на структуру и свойства ВТСП?

4. Какова роль цепочек и плоскостей в структуре?

И обсуждение под ним. Учитывая, что сегодня же я был на производстве сверхпроводящих кабелей, хотел вставить пару замечаний, но read-only… В итоге решил написать небольшую статью про высокотемпературные сверхпроводники.

Для начала, на всякий случай, хочется отметить, что сам термин «высокотемпературный сверхпроводник» означает сверхпроводники с критической температурой выше 77 К (-196 °C) - температуры кипения дешёвого жидкого азота. Не редко к ним относят и сверхпроводники с критической температурой около 35 К, т.к. такую температуру имел первый сверхпроводящий купрат La 2-x Ba x CuO 4 (вещество переменного состава, отсюда и x). Т.е. «высокие» температуры тут пока ещё очень низкие.

Основное распространение получило два высокотемпературных сверхпроводника - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) и Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Также применяются схожие с YBCO материалы, в которых иттрий заменён иным редкоземельным элементом, например гадолинием, их общее обозначение - ReBCO.
Выпускаемые YBCO, да и другие ReBCO, имеют критическую температуру на уровне 90-95 К. Выпускаемые BSCCO достигают критической температуры в 108 К.

Кроме высокой критической температуры, ReBCO и BSCCO отличаются большими значениями критического магнитного поля (в жидком гелии - более 100 Тл) и критического тока. Впрочем, с последним всё не так просто…

В сверхпроводнике электроны движутся не независимо, а парами (Куперовскими парами). Если мы хотим, чтобы ток перешёл из одного сверхпроводника в другой, то зазор между ними должен быть меньше характерного размера этой пары. Для металлов и сплавов этот размер составляет десятки, а то и сотни нанометров. А вот в YBCO и BSCCO он составляет лишь пару нанометров и доли нанометра, в зависимости от направления движения. Даже зазоры между отельными зёрнами поликристалла оказываются уже вполне ощутимым препятствием, не говоря уж о зазорах между отдельными двумя кусами сверхпроводника. В результате сверхпроводящая керамика, если не предпринимать специальных ухищрений, способна пропускать через себя лишь относительно небольшой ток.

Проще всего проблему оказалось решить в BSCCO: его зёрна естественным образом имеют ровные края, а самое простое механическое сжатие позволяет эти зёрна упорядочить для получения высокого значения критического тока. Это позволило достаточно быстро и просто создать первое поколение высокотемпературных сверхпроводящих кабелей, а точнее - высокотемпературных сверхпроводящих лент. Они представляют собой серебряную матрицу, в которой есть множество тонких трубочек, заполненных BSCCO. Эту матрицу расплющивают, при этом зёрна сверхпроводника приобретают нужный порядок. Получаем тонкую гибкую ленту, содержащую множество отдельных плоских сверхпроводящих жил.

Увы, BSCCO материал далеко не идеальный: у него критический ток очень быстро падает с ростом внешнего магнитного поля. Критическое магнитное поле у него достаточно велико, но задолго до достижения этого предела, он теряет способность пропускать сколько-нибудь большие токи. Это очень сильно ограничивало применение высокотемпературных сверхпроводящих лент, заменить старые добрые сплавы ниобий-титан и ниобий-олово, работающие в жидком гелии, они не могли.

Совсем другое дело - ReBCO. Но создать в нём правильную ориентацию зёрен весьма тяжело. Лишь относительно недавно научились делать сверхпроводящие ленты на основе этого материала. Такие ленты, называемые вторым поколением, получают напылением сверхпроводящего материала на подложку, имеющую специальную текстуру, задающую направление роста кристаллов. Текстура, как не сложно догадаться, имеет нанометровые размеры, так что это настоящие нанотехнологии. В московской и, что характерно, не имеющей отношения к Сколково компании «СуперОкс», в которой я собственно и был, для получения такой структуры на металлическую подложку напыляют пять промежуточных слоёв, один из которых одновременно с напылением распыляется потоком быстрых ионов, падающих под определённым углом. В результате кристаллы этого слоя растут только в одном направлении, в котором ионам сложнее всего их распылять. Другие производители, а их в мире четыре, могут использовать иные технологии. Кстати, отечественные ленты используют гадолиний вместо иттрия, он оказался технологичнее.

Сверхпроводящие ленты второго поколения шириной 12 мм и толщиной 0,1 мм в жидком азоте при отсутствии внешнего магнитного поля пропускают ток до 500 А. Во внешнем магнитном поле 1 Тл критический ток всё ещё доходит до 100 А, а при 5 Тл - до 5 А. Если охладить ленту до температуры жидкого водорода (ниобиевые сплавы при такой температуре ещё даже не переходят в сверхпроводящее состояние), то та же лента сможет пропустить 500 А в поле 8 Тл, а «какие-нибудь» 200-300 А - в поле на уровне пары десятков тесла (лягушка летает). Про жидкий гелий и говорить не приходится: есть проекты магнитов на этих лентах с полем на уровне 100 Тл! Правда тут уже в полный рост возникает проблема механической прочности: магнитное поле всегда стремится разорвать электромагнит, но когда это поле достигает десятков тесла, его стремления легко реализуются…

Впрочем, все эти прекрасные технологии не решают проблемы соединения двух кусков сверхпроводника: хоть кристаллы и ориентированны в одном направлении, о полировке внешней поверхности до субнанометрового размера шероховатостей речи не идёт. У американцев есть технология спекания отдельных лент друг с другом, но она ещё, мягко говоря, далека от совершенства. Обычно ленты соединяют друг с другом обычной пайкой обычным оловянно-свинцовым припоем или иным классическим способом. Разумеется, при этом на контакте появляется конечное сопротивление, так что создать из таких лент сверхпроводящий магнит, не требующий питания на протяжении многих лет, да и просто ЛЭП с в точности нулевыми потерями не получается. Но сопротивление контакта составляет малые доли микроома, так что даже при 500 А токе там выделяются лишь доли милливатта.

Разумеется, в научно-популярной статье читатель ищет по-больше зрелищности… Вот несколько видео моих экспериментов с высокотемпературной сверхпроводящей лентой второго поколения:

Последнее видео записал под впечатлением от комментария на YouTube, в котором автор доказывал, что сверхпроводимости не существует, а левитация магнита - совершенно самостоятельный эффект, предлагал всем желающим убедиться в его правоте, измерив непосредственно сопротивление. Как видим, сверхпроводимость всё-таки существует.

Статья: Высокотемпературная

Сверхпроводимость (ВТСП).

Теоретическое обоснование и технология создания

Материалов, обладающих свойством

Высокотемпературной сверхпроводимости

(отсутствие электрического сопротивления

До комнатных температур и выше).

Академик МААНОИ, доктор РАЕН.

Article: High-temperature superconductivity (HTSC).

The doctor of the Russian Academy of Natural Sciences).

Technology of creation of materials property high-temperature

(to room temperatures and above) superconductivity (absence of electric resistance).

1. Предпосылки решения проблемы ВТСП.

Постановка задачи (решение проблемы ВТСП) обусловлена не только уникальными злекроэнергетическими перспективами при ее решении, но и необходимостью опережающей реализации ВТСП, как обязательного условия осуществления КИБЕРНЕТИЧЕСКОЙ РЕПЛИЦИРУЮЩЕЙ СУБСТАНЦИИ НА МНОЖЕСТВЕ УНИФИЦИРОВАННЫХ МОДУЛЕЙ НАНОРАЗМЕРОВ (КС).

Теоретическое обоснование и необходимость создания КС даны в книге автора данной статьи: «Колонизация космоса: проблемы и перспективы». В момент написания книги были сформулированы основные подходы и теоретические принципы реализации ВТСП. Автор умышленно не стал их публиковать, предоставив возможность иным исследователям решить проблему. Это нашло отражение в упомянутой книге (1-е 1997г., Новокузнецк и 2-е 2003г., Тюмень - издания). Мотивацией такого поступка явилось желание автора не брать на себя решение ВСЕХ генеральных научно-технических проблем человечества, и предоставить возможность для творчества другим исследователям и коллективам.

Окончательно «отшлифованы» технологии получения ВТСП к моменту написания автором статьи: «НАЧАЛА ОБЩЕЙ ТЕОРИИ УНИВЕРСУМА» (НОТУ), (2010 – 2011 гг.). При ее публикации была анонсирована и публикация данной (по ВТСП) статьи (см. материалы на персональном сайте автора).

Поскольку, к настоящему времени иные исследователи не решили проблему ВТСП автор данной статьи публикует свое видение ее решения. Далее «давать фору» иным исследователям - не имеет смысла.

Вместе с тем, при публикации данной статьи, автор предпринимает целый комплекс противоплагиатных мер, как-то: опережающая рассылка по множеству инстанций (редакции профильных журналов и пр. СМИ, РОСПАТЕНТ, РАН, администрация Президента России, ФПИ и др.) бумажной почтой, с объявленной датой приоритета по почтовому отправлению; последующая рассылка по профильным адресатам электронной почтой; логические «закладки» в содержании статьи.

Только в последнюю очередь размещается текст статьи на персональном сайте автора, в сопровождении объявлений о ее публикации на иных сайтах.

Предприняты и иные, не объявленные (но… - эффективные), противоплагиатные меры. Хищным и бездарным любителям поживиться чужой интеллектуальной собственностью - здесь делать нечего…

Следует добавить, что пути решение проблемы ВТСП связаны и проистекают из постулатов НОТУ. Здесь отражена логика обобщающей теории универсума хоть и не всегда абсолютно (исчерпывающе). Кроме того, показанные пути решения проблемы ВТСП являются неотъемлемой составной частью всего КОМПЛЕКСА идей и разработок автора.

2. Теоретические основы.

Эффект сверхпроводимости был открыт Камерлинг-Оннесом еще в 1911 г. во время опытов по изучению электрического сопротивления у ряда металлов при сверхнизких температурах. Количество сверхпроводящих материалов исчисляется, к настоящему времени, десятками. Самые высокие температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Тс) у классических материалов (металлов и сплавов) достигает 23,2 К (у интерметаллида ниобия и германия). Рекордные значения критических температур получены после открытия Г.Беднорца и К.Мюллера нового класса сверхпроводников – купрумосодержащих керамик. Здесь критическая температура достигает

135 К. Сверхпроводник подразделяются: на С/П I-рода и на С/П I I-рода.

В первые магнитное поле практически не проникает (выталкивается – т.е. проявляет свойство идеального диамагнетика). Во вторые, магнитное поле проникает. Общепринятым теоретическим обоснованием существования сверхпроводимости считается теория БКШ (Бардина-Купера-Шриффера). Объяснение эффекта С/П, сводится к возникновению в материале бозонных пар электронов и проявлении фононного механизма. Вместе с тем, открытие сверхпроводящих керамик показало недостаточность БКШ для понимания всех характеристик эффекта сверхпроводимости.

Важнейшей и актуальнейшей научно-технической задачей является теоретическое обоснование и поиск (либо создание) С/П материалов с критической температурой (ТС) порядка 300 градусов К и выше (т.н. высокотемпературной сверхпроводимости - ВТСП). Достижение поставленной цели приведет к революции в электроэнергетике, В частности, упраздняется необходимость криогенного оборудования для получения С/П. Далее, появляется возможность построения сверхдальних линий электропередач функционирующих практически без энергопотерь. Кроме того, появится возможность создания энергооборудования и приборов с невозможными ныне характеристиками.

Такова постановка задачи (проблемы). Постараемся ее решить.

В основе решения данной проблемы должны быть положены не только квантовые представления и теория БКШ, но и представления, выходящие за рамки ставших классическими теорий. Тем более, что С/П в керамиках (как ранее упомянуто) показывает свойства выходящие за рамки описания посредством БКШ. Это общепризнанный факт. Поэтому следует воспользоваться более широким спектром физических определений и закономерностей при решении проблемы ВТСП. Для удобства восприятия построим изложение темы в виде отдельных тезисов и постулатов.

3.Тезисы и постулаты ВТСП.

3.1. В основу представлений о поведении электротока в проводнике под влиянием внешнего потенциала должны учитываться эффекты протекания тока в плазме. Известно, что в плазме ток (совокупный поток электронов) движется вдоль магнитных силовых линий, при этом электроны «вращаются» вокруг упомянутых силовых линий с характерными ЛАРМОРОВСКИМИ орбитами, имеющими ДЕБАЕВСКИЙ радиус (см. физику плазмы). Показанное перемещение характеризуется сверхпроводящими свойствами на локальных участках. Таковое проистекает из фундаментальных свойств электронов (в частности - спина и иных, описанных в НОТУ). В то же время, подобному рассмотрению почему-то (неоправданно) отказано (?!) при моделировании движения тока в твердых материалах. Между тем, этот подход весьма продуктивен при описании локальных перемещений электронов по кристаллическим (и аморфным) структурам на наноразмерном уровне. Именно такое рассмотрение дает ключ: к пониманию энергетических потерь на тепло в проводнике, а также - возникновению сверхпроводимости.

3.2. Спиралеобразное перемещение квантово связанных пар электронов (по БКШ) дает сверхпроводимость I-рода. Спиральное перемещение не связанных квантово пар электронов дает сверхпроводимость II-рода в плазме.

Подобная модель справедлива и для перемещения электронов в твердых сверхпроводящих материалах.

3.3. Высокотемпературная сверхпроводимость свойственна большинству проводников на атомных (наноразмерных) расстояниях, но исчезает при увеличении масштабов, ввиду рассогласования квантово-волновых характеристик электронов и кристаллической структуры проводника.

Отсюда постулируется важнейший для практики вывод. Замкнутые кольцевые наноразмерные структуры проводников, построенные по схеме бензольных колец, являются высокотемпературными сверхпроводниками. Данный практический вывод следует подтвердить экспериментально. Исследователи, подтвердившие его, достойны получения Нобелевской премии. Практическая польза, от этого постулата, заключается, прежде всего, в том, что открывается возможность создания наноаккумуляторов электроэнергии для нужд микроэлектроники. Самое перспективное применение данного эффекта – оснащение таковым аккумулятором модуля КИБЕРНЕТИЧЕСКОЙ РЕПЛИЦИРУЮЩЕЙ СУБСТАНЦИИ НА МНОЖЕСТВЕ УНИФИЦИРОВАННЫХ МОДУЛЕЙ НАНОРАЗМЕРОВ (КС).

3.4. Свойства диполей в ферромагнетиках позволяют отнести их (свойства) к частному проявлению ВТСП на наноуровне. Этот постулат должен надежно подтверждаться экспериментально. Подтверждение засуживает высокого поощрения.

3.5. Самые большие перспективы в физике и технологиях связываются с линейной ВТСП.

В свете выдвинутой модели квантово-согласованного перемещения электронов в ВТСП, самой благоприятной линейной структурой (на наноуровне) твердого материала для возникновения ВТСП является спирально-винтовая. Это важнейший постулат! Существуют ли естественные (природные) структуры отвечающие этому требованию? Да! И они давно известны. Это …МОЛЕКУЛЫ РНК-ДНК! Как огромное количество исследователей умудрилось пропустить столь знаменательный факт?! Можно ответственно утверждать, что именно свойствами ВТСП РНК-ДНК объясняются многие труднообъяснимые, по другому, свойства биологической репликации. Для доказательства верности последнего тезиса достаточно подсчитать химическую энергетику процесса репликации. При отсутствии эффекта ВТСП процесс репликации был бы столь энергозатратным, что попросту становился невозможным. Постановку экспериментов, подтверждающих этот постулат, предоставляется исследователям, специализирующимся на данном направлении. Вместе с тем, значимость указанных подтверждающих исследований столь велика – что исследователи заслуживают еще одной Нобелевской премии. Автор данной статьи уверен в предстоящем экспериментальном подтверждении данного постулата. Уверенность проистекает из осмысления многочисленных примеров экстремального знергопроявления биологических объектов, необъяснимого без проявления свойств ВТСП.

3.6. Постулирование модели спирально-винтовой структуры ВТСП биологических материалов, ставит в повестку дня получение таковых небиологических материалов - с оптимальными ВТСП - свойствами. Каковы должны быть физико-химические характеристики таковых материалов?

Прежде всего, такие материалы должны быть линейно-ориентированными, со спирально-винтовой структурой, наноразмерного сечения. Эти материалы - «линии» схожи с пучком вытянутых (не свернутых в клубок, как водится в белках) молекул РНК-ДНК. Можно привести аналогию многожильного кабеля. Свойство ВТСП, в таком материале, будет проявляться только по одной (продольной) координатной оси. Между отдельными ВТСП – линиями должна находиться электроизолирующая среда. Тем самым проявляется еще одна аналогия с многожильным кабелем. Электропроводность (в ВТСП – режиме) каждой линии будет весьма низка. Высокая электропроводность «кабеля» определяется суммой линий наноразмерного сечения, представленных в кабеле.

Требуется эффективная сумма технологий получения материалов с ВТСП – свойствами.

4. Технологии изготовления ВТСП – материалов.

Представляется существенной проблемой - изготовления сверхдлинных линий (на стыках линий возникнет обычное электросопротивление, и эффект ВТСП исчезает) и упорядоченный монтаж в кабеле. Проблема решается объединением обеих технологий в единую технологию. Параллельно происходит изготовление множества линий и монтаж их в один кабель, как это происходит в планарных технологиях.

Вместе с тем, уже применяемые в производстве микроэлектроники, планарные технологии (и эпитаксия, в частности) в известном виде -

не годятся. Здесь явно необходим трехмерный монтаж, причем, 3-е измерение, отвечающее за протяженность линии, – особо важно.

Требуется организующая среда по третьему (продольному) измерению. Ничего лучше электромагнитного поля, в данном применении, не представляется. Полоидальное магнитное поле оптимальной анизотропии представляется тем «каркасом», вдоль которого формируются ВТСП- линии. Кроме упомянутого силового «каркаса» требуются еще и материальные носители основы нитей. Здесь никак не обойтись без ферромагнитных материалов. Предположительно годится для этих целей атомарное железо (Fe). Сам наноспиральный проводник, нанизанный на железную (одноатомного сечения) основу должен изготавливаться из углерода (С).

Для придания согласованного вращательного формирования углеродной нити вокруг железной основы требуется пропускать вдоль формируемой нити оптимальной величины ток. Допускается возможным - подача «стройматериала» кластерами - Fe C.

Еще одним необходимым условием является формирование линий в электроизолирующей среде, которая, после завершения технологического процесса, стабилизируется «застывает» и остается частью кабеля на весь период эксплуатации. Изолирующий слой каждой линии должен быть весьма тонким (наноразмеров), стабильным в процессе изготовления и в процессе эксплуатации. Его стабильность и устойчивость к различным физическим характеристикам окружающей среды (прежде всего – температурным) во многом определяют функциональные возможности ВТСП-кабеля в целом.

Необходимо использовать химические условия технологического обеспечения, лучшим образом защищающие конечный продукт – ВТСП-кабель. Основная концепция и идеи получения ВТСП показаны. Все детализирующие исследования и разработки касаются подбора конструктивных материалов (их перечня, пропорций и концентрации), а также параметрических характеристик технологии (температуры, напряженности магнитного поля, величины электрического тока и т.д.). Hекоторые параметры определяются эмпирически.

Заключение.

Показанная часть технологии изготовления ВТСП-материалов далеко не исчерпывающая. Учитывая современную практику массового плагиата и полного попрания императива интеллектуальной собственности, автор вынужден другую часть технологии опубликовать c задержкой на персональном сайте автора http://futurocosmos.uCoz.ru/

Перед исследователями открываются два пути.

Первый: не ожидая недостающей части самостоятельно приступить к работам на показанном ПУТИ получения ВТСП. Опубликованного материала более чем достаточно - для развертывания работ (и получения позитивного результата) на данном направлении.

Второй: ждать исчерпывающей авторской публикации, но публикация последует только тогда – когда реально развернутся работы по всему комплексу разработок автора, представленных на сайте и опубликованных в книге: «Колонизация космоса: проблемы и перспективы».

Полезно для общества покончить с практикой «выхватывания» наиболее простых к реализации технических решений, сулящих получение скорой меркантильной выгоды.

Первым приоритетом является реализация ВТСП (и прочих авторских изобретений и разработок) в России и получение на этой основе технологического преимущества в конкуренции с иными странами и нациями.

Честь имею!

Академик

и изобретений (МААНОИ),

доктор РАЕН Золотухин Владимир Антонович.

Практическое использование сверхпроводников долгое время сдерживалось одним из трех основных факторов: низкими температурами сверхпроводящего перехода, существованием критического магнитного поля и критического тока.

Если в криоэлектронике ВТСП успешно применялись уже в 1987 г (магнитные экраны, различные тонкопленочные приемники СВЧ-излучения, работающие при 77 К), то использование ВТСП в энергетике - дело ближайшего дня. В 1999 г. на 3-ей Международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов (Москва, Клязьма, Россия, авторы: А.Д.Никулин, А.К.Широков, А.Б. Воробьева) сообщалось, что в результате комплекса проведенных исследований и разработок во ВНИИНМ созданы основы процесса создания одножильных и многожильных проводников на основе висмутовой системы (Bi -2212 и Bi -2223), а также массивных изделий на основе ВТСП керамики Y - Ba - Cu - O . Выпускаются композиционные ВТСП с длиной единичного куска до 250 м, с критическим током до 45 А (77 К, О Тл). Достигнутый уровень конструктивной плотности тока на таких проводниках - до 6 кА/см 2 (77 К, 0 Тс) позволил приступить к изготовлению изделий криогенной электротехники.

В сотрудничестве с МАИ, РНС «Курчатовский Институт», ИФВЭ, НИИ Электромашин изготовлены и успешно испытаны первые образцы криодвигателей, токовводов, магнитных катушек на основе ВТСП проводников.

Для применения в электронной технике многими научными группами ведутся работы по использованию ВТСП тонких пленок, получаемых различными методами. Например, изучаются подходы к расчету и изготовлению фильтров с квазисосредоточенными и сосредоточенными параметрами и малыми габаритами на частотах 500–2000 МГц, ВТСП материалы с температурным коэффициентом сопротивления близким к нулю для изготовления прецизионных низкотемпературных резисторов и др.

Перспективы применения сверхпроводников достаточно четко были отражены в статье "Новые сверхпроводники: перспективы применения" Алана М. Вольски и др. в журнале Scientific American, апрель 4, 1989 наиболее интересные из которых и приведем ниже (рисунок 10.18).

Рис. 10.18. Области применения сверхпроводников

Сверхпроводящие магниты. С помощью обычного электромагнита, представляющего собой катушку из медного провода, размещенной на железном сердечнике, можно создавать поля до 2 Тл, причем медные провода выдерживают плотность тока до 400 А/см 2 .

Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счет увеличения плотности тока до 100000 А/см 2 . Такие плотности тока позволяют получать сплавы из ниобия-3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4 К).

Объемные образцы иттрий - барий - оксид меди выдерживают плотность тока до 4000А/см 2 при температуре жидкого азота (77 К) в поле 1 Тл. В отсутствие магнитного поля плотность тока может достигать 17000 А/см 2 .

Генераторы и линии электропередач. Сверхпроводящие магниты могут повысить КПД генераторов большой мощности до 99.5%, хотя у обычных генераторов он уже достигает 98.6%. Ежегодная экономия топлива составит 1%. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электропередач могут стать только при передаче по ним большого количества энергии.

Аккумулирование электроэнергии. Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азотом обошлись бы на 3% дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты уменьшаются еще на 5%.

Поезда на магнитной подушке - наиболее перспективное применение сверхпроводников для скоростных поездов. Стоимость сооружения пути длиной 500км обойдется в 1.5 – 4.5 млрд долл. Стоимость самих поездов составит не более 10% от общей суммы затрат, а система охлаждения всего 1%.

Сверхнизкие температуры до 10 -6 К достигнуты в магнитных холодильниках при использовании магнитоэлектрического эффекта. Такие системы важны для космических и оборонных программ.

Компьютеры и сверхпроводники. В будущем может быть создан суперкомпьютер на ВТСП с быстродействием в 1000 раз больше, чем у компьютеров, проектируемых в настоящее время. Время переключения на переходах Джозефсона (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика) составит не более 10 -13 с для Т кр =10К и 10 -14 с для материала с Т кр =100К.

В 1962 г . Б. Джозефсон теоретически предсказал эффект слабой сверхпроводимости, который служит подтверждением того, что сверхпроводимость - квантовое явление. Эффекты Джозефсона, как и эффект квантования магнитного потока, показывают, что между носителями сверхпроводящего тока - куперовскими парами существует согласованное когерентное поведение и жесткая фазовая корреляция. Джозефсоном было показано, что при туннельных экспериментах с пленочными структурами сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник следует ожидать просачивания куперовских пар через слой диэлектрика толщиной 10–20 А. Туннельный ток можно наблюдать и при контакте нормального металла и сверхпроводника, разделенных тонким непроводящим слоем.

Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. При стационарном эффекте в отсутствие электрического поля сверхпроводящий ток протекает через диэлектрик, если его толщина порядка одного–двух нанометров. Это означает, что куперовские пары туннелируют из одного электрода в другой не вызывая падения напряжения. Прохождение туннельного тока в таком режиме будет происходить до тех пор, пока его плотность не превысит некоторой критической величины, являющейся характеристикой туннельного контакта. Любое магнитное поле влияет на этот сверхпроводящий ток и обращает его в нуль, когда полный магнитный поток в диэлектрическом зазоре будет равен целому числу квантов потока F 0 . Джозефсоновский ток зависит от магнитного поля согласно выражению

(10. 2 9)

где I –ток, зависящий от свойств контакта и не зависящий от поля, Ф 0 – полный магнитный поток в туннельном контакте.

Нестационарный эффект Джозефсона состоит в том, что когда плотность постоянного туннельного тока превысит критическое значение, то на контакте, кроме постоянной составляющей электрического напряжения V , появляется еще и высокочастотный переменный ток с угловой частотой w , причем

(10.30)

При напряжении на контакте 1 мВ частота переменного джозефсоновского тока равна 4,85 · 10 - 1 с - 1 , что соответствует электромагнитному излучению с длиной волны 600 мкм. Эксперименты Джозефсона с классическими сверхпроводниками показали, что электроны связываются в куперовские пары и заполняют одно квантовое состояние. Эффекты Джозефсона находят применение в приборостроении. На их основе созданы квантовые интерференционные магнитометры - СКВИДы (сокращение по первым буквам английского названия), используемые для измерения слабых магнитных полей до10 - 15 Т в качестве приемников СВЧ излучения и ряда других приборов микроэлектроники и сверхпроводящей криоэлектроники. Созданы СКВИДы на основе ВТСП керамики работающие при 77 К. Перспективно использование эффектов джозефсоновских переходов для изделий сверхпроводящих ЭВМ нового поколения и других электронных устройств СКВИДы (сверхпроводящий квантовый итерференционный детектор). С помощью СКВИДа можно измерять падение напряжения до 10 -18 В, токи 10 -18 А (несколько электронов в секунду) и магнитные поля меньшие 10 -14 Тл. Аналогов подобной чувствительности нет. Новые сверхпроводники позволяют регулировать частоты до 10 12 Гц (близко к квантовому пределу). Чувствительность обычных приборов не превышает 10 10 Гц. Применение СКВИДов - магнитоэнцефалография, элементы памяти. СКВИДы используются физиками для исследования кварков, магнитных монополей, гравитонов, геологами для поисков нефти, воды, минералов, разрабатываются детекторы для обнаружения подводных лодок.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Открытие в конце 1986 года нового класса высокотемпературных сверхпроводящих материалов радикально расширяет возможности практического использования сверхпроводимости для создания новой техники и окажет революционизирующее воздействие на эффективность отраслей народного хозяйства.

Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто в 1911 году, однако практическое использование этого явления началось в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений. В связи с тем, что критические температуры этих материалов не превышали 20 К, все созданные сверхпроводниковые устройства эксплуатировались при температурах жидкого гелия, т.е. при 4-5 К. Несмотря на дефицитность этого хладоагента, высокие энергозатраты на его ожижение, сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции по целому ряду направлений началось практическое использование сверхпроводимости. Наиболее крупномасштабными применениями сверхпроводников явились электромагниты ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок, МГД-генераторов. Были созданы опытные образцы сверхпроводниковых электрогенераторов, линий электропередачи, накопителей энергии, магнитных сепараторов и др. В последние годы в различных капиталистических странах началось массовое производство диагностических медицинских ЯМР-томографов со сверхпроводниковыми магнитами, потенциальный рынок которых оценивается в несколько млрд. долларов.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура которых с запасом превышает температуру кипения жидкого азота, принципиально меняет экономические показатели сверхпроводниковых устройств, поскольку стоимость хладоагента и затраты на поддержание необходимой температуры снижаются в 50-100 раз. Кроме того, открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сняло теоретический запрет на дальнейшее повышение критической температуры с 30 - вплоть до комнатной. Так, со времени открытия этого явления критическая температура повышена с 30 - 130 К.

Государственная научно-техническая программа предусматривает широкий комплекс работ, включающих в себя фундаментальные и прикладные исследования, направленные на решение проблемы технической реализации высокотемпературной сверхпроводимости.

В соответствии со структурой программы главными направлениями работ являются:

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ И СВОЙСТВ ВТСП.

Основными задачами этого направления являются фундаментальные исследования по выяснению механизма высокотемпературной сверхпроводимости, разработка теории ВТСП, прогнозирование поиска новых соединений с высокими критическими параметрами и определение их физико-химических свойств.

2. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА ВТСП МАТЕРИАЛОВ.

По данному направлению будут проводиться исследования влияния высоких давлений, механических и тепловых воздействий, ионизирующих излучений, электромагнитных полей и других внешних факторов на свойства ВТСП материалов и выработка рекомендаций по вопросам создания ВТСП материалов с оптимальными технологическими и техническими характеристиками.

3. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВТСП МАТЕРИАЛОВ.

Главными задачами исследований по данному направлению являются разработка теоретических основ получения высокотемпературных сверхпроводящих материалов с заданными свойствами, синтез новых материалов с необходимыми для технической реализации параметрами, разработка технологий получения высокотемпературных сверхпроводников заданных технических форм. Ключевыми вопросами этого направления и всей программы в целом является создание технологичных и стабильных тонкопленочных структур, приемлемых для реализации в слаботочной технике, и особенно сильноточных токонесущих элементов в виде проводов, лент, кабелей и др. для использования в сильноточной технике.

4. СЛАБОТОЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВТСП.

Создание конкретных технических изделий на основе ВТСП материалов наиболее реально в ближайшее время именно в слаботочной технике, т.е. в микроэлектронике и вычислительной технике.

В рамках программы предполагается разработка и освоение серийного производства трех классов электронных сверхпроводниковых приборов:

СКВИДы (приборы на основе джозефсоновских переходов) как детекторы слабых магнитных полей для применения в медицине (магнитоэнцефалография), геологии и геофизике (поиск полезных ископаемых, изучение геологического строения земной коры, прогноз землетрясений), материаловедении (неразрушающий контроль материалов, конструкций), военной технике (обнаружение магнитных аномалий, в частности, глубинных подводных лодок), научных исследованиях, связи и навигации.

Широкое освоение и внедрение СКВИД магнитометрического метода измерений позволит в короткий срок качественно изменить многие виды измерительной техники, повысить в сотни и более раз чувствительность приборов и точность измерений, подвести измерительные возможности широкой номенклатуры датчиков к теоретическому пределу, вывести измерительную технику на высший качественно новый уровень.

Аналого-цифровые приборы (АЦП), использующие сверхбыстрые (доли пикосекунды) переключения от джозефсоновского к "гиверовскому" режиму работы, для применений в новейших системах связи, цифровых вычислительных устройствах для обработки и анализа аналоговых сигналов и др.

Приборы, основанные на эффекте появления на джозефсоновском переходе постоянного напряжения при подаче на него СВЧ сигнала, для использования в прецизионных измерительных системах (например, эталон Вольта).

Широкое применение ВТСП найдет в вычислительной технике. Уже в настоящее время разработаны, изготовлены и испытаны макеты ячейки памяти, сверхчувствительный элемент считывания на ВТСП пленках с кратным снижением энерговыделения по сравнению с полупроводниковыми усилителями считывания, сверхскоростные линии связи, которые позволят увеличить производительность систем в 10 - 100 раз. Внедрение ВТСП в вычислительную технику даст кратное увеличение ее быстродействия и степени интеграции. Так, переход на ВТСП соединения и снижение рабочей температуры полупроводниковых суперЭВМ позволит повысить их производительность с 10х9 до 10х12 операций/сек.

Одной из перспективных областей применения ВТСП будет космическая техника - бортовые и "забортовые" измерительная аппаратура и вычислительные системы (возможна работа без специальных устройств охлаждения, так как "теневая" температура у спутников - 90 К). При этом при переходе на ВТСП удельная масса охлаждающей системы снизится в 50 раз, объем уменьшится в 1000 раз, надежность возрастет в 10 раз.

Широкие перспективы использования ВТСП открываются в СВЧ-технике и в создании датчиков видимого и ИК диапазона с высокой чувствительностью.

5. СИЛЬНОТОЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВТСП.

Применение ВТСП в сильноточной технике будет иметь наиболее радикальные экономические последствия для народного хозяйства.

Это направление включает в себя создание электроэнергетических устройств и систем, вырабатывающих, передающих и преобразующих электроэнергию в промышленных масштабах. Основой этого направления является способность сверхпроводников нести без потерь высокие плотности (10х9-10х10 А/м2) транспортного тока в сильных магнитных полях при температурах ниже критической. Это свойство сверхпроводников позволяет создавать электроэнергетическое оборудование различного назначения с улучшенными массогабаритными характеристиками, более высоким КПД и значительно (в десятки раз) сниженными эксплуатационными расходами.

Так, при передаче по кабельным линиям электропередач мощностей свыше 20 млн. кВт на расстояние свыше 2000 км ожидается снижение электрических потерь на 10%, что соответствует сбережению от 7 до 10 млн. т.у.т. в год. При этом приведенные затраты на сверхпроводящую кабельную ЛЭП могут быть не больше, чем на высоковольтную ЛЭП традиционного исполнения. Синхронные сверхпроводящие генераторы для ТЭС, АЭС и ГЭС будут иметь на 0,5-0,8% более высокий КПД и на 30%

меньшие весогабаритные показатели. Предполагается создание сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии, которые по сравнению с гидроаккумулирующими станциями, единственным типом накопителей энергии, нашедшим промышленное применение в энергетике, будут обладать существенно более высоким КПД (до 97-98% вместо 70%). В рамках программы предполагается создание широкой гаммы электротехнических и электроэнергетических устройств, при этом масштабы суммарной экономии электроэнергии за счет массового применения ВТСП будут столь велики, что позволят радикальным образом пересмотреть сложившуюся экстенсивную стратегию развития топливно-энергетического комплекса.

Согласно структуре программы, предусматривается разработка и выпуск сверхпроводящих устройств и систем, создание которых экономически и технически целесообразно на основе традиционных гелиевых сверхпроводников. Это сверхпроводящие сепараторы, ЯМР-томографы, магнитные системы для удержания плазмы в ТОКОМАКах и ускорителях заряженных частиц и др. Создание таких систем кроме реального экономического эффекта от их внедрения заложит необходимую техническую и технологическую основу для быстрого перехода на ВТСП по мере создания технологичных ВТСП проводников.

6. КРИОСТАТИРОВАНИЕ.

Поскольку несмотря на значительное повышение критических температур новых сверхпроводящих материалов их абсолютное значение остается на уровне криогенных температур, одним из важнейших направлений исследований и разработок является создание высокоэкономичных, надежных автоматизированных ожижительных и рефрижераторных азотных установок, систем криостатирования для конкретных сверхпроводящих изделий, а также поиск принципиально новых методов получения холода в диапазоне рабочих температур ВТСП.