Надпровідники

Надпровідники, речовини, в яких при охолоджуванні нижче певної критичної температури Т _до електричний опір падає до нуля, тобто спостерігається надпровідність . За винятком Cu, Ag, Au, Pt, лужних, лужноземельних і феромагнітних металів, велика частина останніх металевих елементів є С. (див. Метали ) . Елементи Si, Ge, Bi стають С. при охолоджуванні під тиском. У надпровідний стан може переходити також декілька сотів металевих сплавів і з'єднань і деякі сильно леговані напівпровідники. Слід зазначити, що існують надпровідні сплави, в яких окремі компоненти або навіть всі компоненти сплаву самі по собі немає С. Значенія Т _до майже для всіх відомих С. лежать в діапазоні температур існування рідкого водню і рідкого гелію (температура кипіння водню Т _кіп = 20,4 До).

  Другим найважливішим параметром, що характеризує властивості С., є величина критичного магнітного поля Н _до , вище за яке С. переходить в нормальний (ненадпровідне) стан. Із зростанням температури значення Н _до монотонно падає і перетворюється на нуль при Т ³ Т _до . Максимальне значення Н _до = H ₀ , визначене з експериментальних даних шляхом екстраполяції до нуля абсолютної температурної шкали, для ряду С. наведено в таблиці.

  найвищою з відомих (1974) Т _до володіє з'єднання Nb ₃ Ge приготоване за спеціальною технологією.

  Не дивлячись на те, що принципові причини виникнення надпровідності твердо встановлені, сучасна теорія не дає можливості розрахувати значення Т _до або Н _до для відомих С. або передбачити їх для нового надпровідного сплаву. Проте в результаті накопичення експериментального матеріалу були встановлені ряд емпіричних закономірностей, що дозволяє визначити напрям пошуків сплавів з високими

Температура переходу надпровідний стан критичне магнітне поле для ряду металів, напівпровідників, сплавів і з'єднань

* Вище Т _до : ці з'єднання напівпровідники . 1 е = 79,6 а/м.

  Не дивлячись на те, що принципові причини виникнення надпровідності твердо встановлені, сучасна теорія не дає можливості розрахувати значення Т _до або Н _до для відомих С. або передбачити їх для нового надпровідного сплаву. Проте в результаті накопичення експериментального матеріалу були встановлені ряд емпіричних закономірностей, що дозволяє визначити напрям пошуків сплавів з високими Т _до і Н _до . Найважливіші з цих закономірностей, відоміші під назвою правил Маттіаса (встановлені Б. Т. Маттіасом, США, 1955), зводяться до наступного: найбільша Т _до спостерігається в сплавів з числом 2 валентних електронів на атом ~3, 5, 7, причому для кожного z предпочтітельней свій тип кристалічної решітки. Крім того, Т _до зростає із збільшенням об'єму і падає із зростанням маси атома. По своїх магнітних властивостях все С. розділяються на дві групи: С. 1-го роду, для яких проникнення магнітного поля Н в надпровідник циліндрової форми, розташований уздовж поля, відбувається стрибком одночасно з появою електричного опору при Н  ³ Н _до ; С. 2-го роду, для яких проникнення подовжнього магнітного поля в аналогічних умовах починається в значно менших полях (до появи опору). Відповідно для С. 2-го роду розрізняють нижнє критичне поле Н _к1 , при якому починається проникнення магнітного поля, і верхнє критичне поле Н _к2 , при якому магнітне поле повністю проникає в об'єм С., а електричного опору набуває значення, характерне для нормального стану. (У таблиці для С. 2-го роду приведені значення Н _к2 .) С. 1-го роду є всі чисті надпровідні метали, за винятком V і Nb, і деякі сплави з низьким вмістом одного компонента. Група С. 2-го роду більш багаточисельна. Сюди відносяться більшість з'єднань з високими Т _до , таких як V ₃ Ga, Nb ₃ Sn, і сплави з високим вмістом легуючих домішок.

  Серед С. 2-го роду виділяють групу жорстких надпровідників. Для цих матеріалів характерна велика кількість дефектів структури (неоднорідності складу, вакансії, дислокації і ін.), які виникають завдяки спеціальній технології виготовлення. У жорстких С. рух магнітного потоку сильно утруднений дефектами і криві намагнічення виявляють сильний гістерезис . По тих же причинах в цих матеріалах сильні постійні електричні струми можуть протікати без втрат, тобто без опору, аж до близьких до Н _к2 полів при будь-якій орієнтації струму і магнітного поля. Слід зазначити, що в ідеальному С., повністю позбавленому дефектів (до цього стану можна наблизитися в результаті тривалого відпалу сплаву), при будь-якій орієнтації поля і струму, за винятком подовжньої, скільки завгодно малий струм супроводитиметься втратами на рух магнітного потоку вже при Н > Н _к1 . Нижнє критичне поле Н _к1 зазвичай у багато разів менше Н _к2 . Тому саме жорсткі С., в яких електричний опір практично дорівнює нулю аж до дуже сильних полів, представляють інтерес з точки зору технічних застосувань. Їх застосовують для виготовлення обмоток магнітів надпровідних і інших цілей. Істотним недоліком жорстких С. є їх крихкість, що сильно утрудняє виготовлення з них дроту або стрічки для обмоток надпровідних магнітів. Особливо це відноситься до з'єднань з найвищими значеннями Т _до і Н _до типа V ₂ Ga, Nb ₃ Sn Pbi _1,0 Mo _5,1 S ₆ . Виготовлення надпровідних магнітних систем з цих матеріалів є складним технологічним завданням.

  Літ.: Надпровідні матеріали. [Сб. ст.], пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1965; Металознавство надпровідних матеріалів, М., 1969.

  І. П. Крилов.