Практическое применение сверхпроводимостиинтенсивно расширяется. Наряду с магнитами сверхпроводящими, сверхпроводящими магнитометрамисуществует ряд других технических устройств и измерительных приборов, основанных на использовании различных свойств сверхпроводников (см. Криоэлектроника ) .Построены сверхпроводящие резонаторы, обладающие рекордно высокой (до 10 10) добротностью, сверхпроводящие элементы для ЭВМ, перспективно применение сверхпроводников в крупных электрических машинах и т. д.
Лит.:Де Жен П., Сверхпроводимость металлов и сплавов, пер. с англ., М., 1968; Линтон Э., Сверхпроводимость, пер. с англ., 2 изд., М., 1971; Сверхпроводимость. Сб. ст., М., 1967; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; физический энциклопедический словарь, т. 4, М., 1965, с. 475-82.
Г. М. Элиашберг.
Рис. 2. Распределение магнитного поля около сверхпроводящего шара и около шара с исчезающим сопротивлением (идеальный проводник): а) Т > Т к; б) Т < Т к, внешнее поле Н вн¹ 0; в) Т < Т к, Н вн= 0.
Рис. 5. Фазовая диаграмма для сверхпроводников 1-го и 2-го рода.
Рис. 4. Кривая намагничивания сверхпроводников 2-го рода.
Рис. 1. Зависимость сопротивления R от температуры Т для ртути (Hg) и для платины (Pt). Ртуть при Т = 4,12К переходит в сверхпроводящее состояние. R 0°с - значение R при 0 °С.
Рис. 3. Кривая намагничивания сверхпроводников 1-го рода.
Рис. 6. Скачок теплоёмкости сверхпроводника в точке перехода (Т к) в отсутствии внешнего магнитного поля (С си С н- теплоёмкость в сверхпроводящем и нормальном состояниях).
Сверхпроводники
Сверхпроводники',вещества, у которых при охлаждении ниже определённой критической температуры Т кэлектрическое сопротивление падает до нуля, т. е. наблюдается сверхпроводимость.За исключением Cu, Ag, Au, Pt, щелочных, щелочноземельных и ферромагнитных металлов, большая часть остальных металлических элементов является С. (см. Металлы ) .Элементы Si, Ge, Bi становятся С. при охлаждении под давлением. В сверхпроводящее состояние может переходить также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники. Следует отметить, что существуют сверхпроводящие сплавы, в которых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются С. Значения Т кпочти для всех известных С. лежат в диапазоне температур существования жидкого водорода и жидкого гелия (температура кипения водорода Т кип = 20,4 К).
Вторым важнейшим параметром, характеризующим свойства С., является величина критического магнитного поляН к,выше которого С. переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. С ростом температуры значение Н кмонотонно падает и обращается в нуль при Т³ Т к. Максимальное значение Н к= H 0,определённое из экспериментальных данных путём экстраполяции к нулю абсолютной температурной шкалы, для ряда С. приведено в таблице.
Самой высокой из известных (1974) Т кобладает соединение Nb 3Ge, приготовленное по специальной технологии.
Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, современная теория не даёт возможности рассчитать значения Т кили Н кдля известных С. или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако в результате накопления экспериментального материала был установлен ряд эмпирических закономерностей, позволяющий определить направление поисков сплавов с высокими
Температура перехода сверхпроводящее состояние критическое магнитное поле для ряда металлов, полупроводников, сплавов и соединений
| Вещество | Критическая температура Т К, К | Критическое поле Н 0, э | |
| Сверхпроводники 1 рода | Свинец | 7,2 | 800 |
| Тантал | 4,5 | 830 | |
| Олово | 3,7 | 310 | |
| Алюминий | 1,2 | 100 | |
| Цинк | 0,88 | 53 | |
| Вольфрам | 0,01 | 1,0 | |
| Сверхпроводники 2 рода | Ниобий | 9,25 | 4000 |
| Сплав 65 БТ (Nb-Ti-Zr) | 9,7 | »100000 | |
| Сплав NiTi | 9,8 | »100000 | |
| V 3Ga | 14,5 | »350000 | |
| Nb 3Sn | 18,0 | »250000 | |
| (Nb 3AI) 4Nb 3Ge | 20,0 | - | |
| Nb 3Ge | 23 | - | |
| GeTe* | 0,17 | 130 | |
| SrTiO 3* | 0,2-0,4 | »300 | |
| Pb 1,0Mo 5,1S 6 | »15 | »600000 |
* Выше Т к: эти соединения полупроводники.1 э = 79,6 а/м.
Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, современная теория не даёт возможности рассчитать значения Т кили Н кдля известных С. или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако в результате накопления экспериментального материала был установлен ряд эмпирических закономерностей, позволяющий определить направление поисков сплавов с высокими Т ки Н к.Важнейшие из этих закономерностей, известные под названием правил Маттиаса (установлены Б. Т. Маттиасом, США, 1955), сводятся к следующему: наибольшая Т кнаблюдается у сплавов с числом 2 валентных электронов на атом ~3, 5, 7, причём для каждого zпредпочтительней свой тип кристаллической решётки. Кроме того, Т крастет с увеличением объёма и падает с ростом массы атома. По своим магнитным свойствам все С. разделяются на две группы: С. 1-го рода, для которых проникновение магнитного поля Нв сверхпроводник цилиндрической формы, расположенный вдоль поля, происходит скачком одновременно с появлением электрического сопротивления при Н ³ Н к;С. 2-го рода, для которых проникновение продольного магнитного поля в аналогичных условиях начинается в значительно меньших полях (до появления сопротивления). Соответственно для С. 2-го рода различают нижнее критическое поле Н к1,при котором начинается проникновение магнитного поля, и верхнее критическое поле Н к2,при котором магнитное поле полностью проникает в объём С., а электрическое сопротивление приобретает значение, характерное для нормального состояния. (В таблице для С. 2-го рода приведены значения Н к2.) С. 1-го рода являются все чистые сверхпроводящие металлы, за исключением V и Nb, и некоторые сплавы с низким содержанием одного компонента. Группа С. 2-го рода более многочисленна. Сюда относится большинство соединений с высокими Т к, таких как V 3Ga, Nb 3Sn, и сплавы с высоким содержанием легирующих примесей.
Среди С. 2-го рода выделяют группу жёстких сверхпроводников. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления. В жёстких С. движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис.По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Н к2полей при любой ориентации тока и магнитного поля. Следует отметить, что в идеальном С., полностью лишённом дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длительного отжига сплава), при любой ориентации поля и тока, за исключением продольной, сколь угодно малый ток будет сопровождаться потерями на движение магнитного потока уже при Н> Н к1.Нижнее критическое поле Н к1обычно во много раз меньше Н к2.Поэтому именно жёсткие С., у которых электрическое сопротивление практически равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технических приложений. Их применяют для изготовления обмоток магнитов сверхпроводящих и других целей. Существенным недостатком жёстких С. является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям с самыми высокими значениями Т ки Н ктипа V 2Ga, Nb 3Sn, Pbi 1,0Mo 5,1S 6. Изготовление сверхпроводящих магнитных систем из этих материалов представляет собой сложную технологическую задачу.
Лит.:Сверхпроводящие материалы. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1965; Металловедение сверхпроводящих материалов, М., 1969.
И. П. Крылов.
Сверхпроводящие магнитометры
Сверхпроводя'щие магнито'метры, квантовые магнитометры,действие которых основано на Джозефсона эффекте.Чувствительность С. м. достигает 10 -9 гс(10 -13 тл) ,а при измерениях градиента магнитного поля ~ 10 -10 гс/см(10 -12 тл/м) .Чувствительный элемент С. м. (сокращённо ЧЭ) представляет собой электрический контур из сверхпроводника с контактами Джозефсона (ими могут быть разделяющие сверхпроводник тонкие, ~10 А, плёнки изолятора, точечные контакты и т. п.). ЧЭ реагирует на изменение напряжённости (индукции) магнитного поля, пронизывающего сверхпроводящий контур.
На рис. 1 приведена схема С. м., ЧЭ которого содержит два идентичных контакта Джозефсона, включенных параллельно в цепь источника постоянного тока. Ток, разрушающий сверхпроводимость в ЧЭ (I k c), зависит от электрических характеристик контактов и величины магнитного потока Ф, пронизывающего контур:
I k c=2 I c|cos p Ф/Ф о|,
где Ф о= 2Ч10 -7 гс см 2-квант магнитного потока (магнитный поток через сверхпроводящий контур квантуется, см. Сверхпроводимость ) , I c-ток разрушения сверхпроводимости каждого из контактов ( критический ток ) -должен быть мал ( I c~ Ф о/L,где L -индуктивность контура). С изменением потока Ф ток I k cв контуре испытывает осцилляции ( рис. 2 ). Ток / к сдостигает максимального значения всякий раз, как только изменяющийся поток Ф оказывается равным целому числу квантов потока Ф о, т. е. период осцилляций равен кванту магнитного потока. Если через ЧЭ протекает постоянный ток ~ I k c, то электрическое напряжение на контуре также периодически зависит от Ф. По числу осцилляций можно определить Ф, а зная площадь S сверхпроводящего контура, найти напряжённость Нисследуемого магнитного поля ( Н =Ф/S). Обычно для повышения надёжности работы С. м. в контуре дополнительно возбуждают периодическое магнитное поле модуляции. Возбуждаемое переменное поле имеет амплитуду ЈФ о/2S. При наличии поля модуляции на контуре появляется переменное напряжение, фаза которого изменяется прямо пропорционально внешнему полю Н.Измерительный блок С. м. выполняет функции усиления переменной составляющей напряжения на контуре и выделения изменения фазы. На выходе измерительного блока получают сигнал, пропорциональный изменению фазы, а следовательно, значению Н.
С. м. изготовляют также с источниками (генераторами) переменного тока частотой 10 7-10 9гци с одним контактом Джозефсона в ЧЭ ( рис. 3 ). Ток в ЧЭ возбуждается индуктивно посредством резонансного контура, настроенного на частоту генератора. Одновременно переменный ток низкой частоты (~10 3 гц) ,протекающий через тот же контур, осуществляет модуляцию магнитного поля в ЧЭ. Вольтамперная характеристика ЧЭ нелинейна относительно магнитного поля, которое пронизывает контур. Поэтому фаза низкочастотной модуляции изменяется в зависимости от величины внешнего (исследуемого) магнитного поля. К ЧЭ внешнее поле подводится трансформатором магнитного поля, который состоит из приёмной петли и катушки, индуктивно связанной с ЧЭ (материалом для обмотки трансформатора служит сверхпроводящая проволока, передача потока происходит без потерь). В С. м. рассматриваемого типа трансформатор имеет две входные петли, включенные навстречу друг другу. При таком включении петель ЧЭ реагирует на градиент поля и является градиентометром. Измерительный блок С. м. осуществляет усиление модулированного высокочастотного сигнала и его детектирование. В результате выделяется сигнал низкой частоты, фаза которого пропорциональна измеряемому градиенту поля.
Очень высокая чувствительность С. м. позволила осуществить с их помощью ряд тонких экспериментов: уточнить значения физических постоянных,продвинуть измерение электрического напряжения в область значений 10 -14 в, зафиксировать магнитокардиограммы человеческого сердца и др.
Лит.:Фейнман P., Лейтон P., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, [пер. с англ.], т. 9, М., 1967; Кларк Дж., Низкочастотные применения сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств, «Тр. института инженеров по электронике и радиоэлектронике», 1973, т. 61, № 1, с. 9; Заварицкий Н. В., Ветчинкин А. Н., Установка СКИМП, «Приборы и техника эксперимента», 1974, № 1.
Н. В. Заварицкий.
Рис. 1. Схема сверхпроводящего магнитометра с двумя параллельно включенными контактами Джозефсона для измерения напряженности (индукции) магнитного поля.
Рис. 3. Схема сверхпроводящего магнитометра для измерения градиента магнитного поля (градиентометра).
Рис. 2. Запись осцилляций тока, текущего в сверхпроводящем контуре с двумя параллельными контактами Джозефсона.
Сверхпроводящий магнит
Сверхпроводя'щий магни'т,см. Магнит сверхпроводящий.
Сверхскоростная киносъёмка
Сверхскоростна'я киносъёмка,киносъёмка со скоростью свыше 10 5 кадр/сек;применяется в различных областях науки и техники для исследования явлений и процессов, протекающих с весьма высокими скоростями (взрывов, распространения ударных волн, электрических разрядов, ядерных реакций и др.). С. к. используется также при создании учебных и научно-популярных фильмов в качестве метода, дающего возможность зрителю детально рассмотреть все фазы движения объекта съёмки.
Диапазон скоростей 10 5 -10 7кадр/секперекрывается с использованием методов оптической компенсации и оптической коммутации (об этих методах см. в ст. Высокоскоростная киносъёмка ) ,а также электрической коммутации. При С. к. по методу электрической коммутации последовательные изображения формируются на неподвижном светочувствительном материале с помощью ряда идентичных объективов или линз, располагаемых в направлении движения объекта съёмки. При съёмке осуществляется коммутация (переключение) соответствующего числа импульсных источников света,каждый из которых освещает поле съёмки только одного объектива; при этом коммутация должна обеспечивать освещение объекта в тот момент, когда он находится перед очередным объективом.
Наивысшие (~10 9 кадр/сек) скорости съёмки достигаются применением растровой съёмки и съёмки с диссекцией изображения. При растровой съёмке образованное объективом оптическое изображение разлагается с помощью механического или оптического растра на отдельные элементы, разнесённые в плоскости изображения. Перемещая взаимно растровое изображение и светочувствительный материал, на последнем получают развёртку изображения (см. Развёртка оптическая ) в виде ряда полос (по числу элементов изображения). Ширина полосы равна протяжённости элемента изображения в направлении, перпендикулярном направлению развёртки, а изменение оптической плотности каждой полосы по её длине передаёт изменение яркости данного участка кадра во время съёмки. Печать позитивов с негатива развёрнутого изображения производится при обратном ходе лучей. Для получения последовательности кадров необходимо после печати каждого отдельного кадра смещать негатив в направлении развёртки на величину поперечника элемента изображения.
Количество отснятых кадров при растровой съёмке ограничено расстоянием между элементами изображения на светочувствительном материале в направлении развёртки и не превышает 300. Такого ограничения не имеет т. н. съёмка с диссекцией изображения, когда поле кадра разделяют на узкие полоски, которые при помощи специального оптического приспособления (диссектора) проецируются на одну линию. Аналогичные результаты даёт использование системы тонких световодов (в виде волокон диаметром 0,01-0,005 мм) ,если одни концы световодов расположить вплотную друг к другу в поле первичного оптического изображения, а другие уложить в один ряд по линии, перпендикулярной направлению развёртки.
Лит.:Сахаров А. А., Высокоскоростная съёмка, М., 1950; Дубовик А. С., Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов, М., 1964; Саламандра Г. Д., Фотографические методы исследования быстропротекающих процессов, М., 1974.
А. А. Сахаров.
Сверхтекучесть
Сверхтеку'честь,особое состояние квантовой жидкости,находясь в котором жидкость протекает через узкие щели и капилляры без трения; при этом протекающая часть жидкости обладает равной нулю энтропией.Единственным представителем семейства сверхтекучих жидкостей долгое время считался жидкий гелий 4He, становящийся сверхтекучим ниже температуры Т l= 2,17 К (при давлении насыщенных паров p s=37,8 мм рт. ст.) .Сверхтекучий 4He назывался Не II (см. Гелий ) .С. Не II была открыта П. Л. Капицей в 1938. В 1972-74 было установлено, что С. обладает также жидкий 3He при температуре ниже Т с= 2,6 Ч10 -3К на кривой плавления. Переход нормальных жидких 4He и 3He в сверхтекучее состояние представляет собой фазовый переход II рода.
Сверхтекучую жидкость нельзя представлять как жидкость, не обладающую вязкостью, т. к. эксперименты с крутильными колебаниями диска, погруженного в Не II, показали, что затухание колебаний при температуре, не слишком далёкой от Т l(«лямбда-точки»), мало отличается от затухания аналогичных колебаний в Не I, который С. не обладает.
Теория сверхтекучести Не II.С. He ll была объяснена Л. Д. Ландау в 1941. Теория Ландау, получившая название двухжидкостной гидродинамики, основана на представлении о том, что при низких температурах свойства Не II как слабовозбуждённой квантовой системы обусловлены наличием в нём элементарных возбуждений, или квазичастиц.Согласно этой теории, Не II можно представить состоящим из двух взаимопроникающих компонент: нормальной и сверхтекучей.
Нормальная компонента при температурах, не слишком близких к Т l ,представляет собой совокупность квазичастиц двух типов - фононов (квантов звука) и ротонов (квантов коротковолновых возбуждений, обладающих большей, чем у фононов, энергией). При T = 0 плотность нормальной компоненты r n = 0 ,поскольку при этом любая квантовая система находится в основном состоянии и возбуждения (квазичастицы) в ней отсутствуют. При температурах от абсолютного нуля до 1,7-1,8 К совокупность элементарных возбуждений в 4He можно рассматривать как идеальный газ квазичастиц. С дальнейшим приближением к T lиз-за заметно усиливающегося взаимодействия квазичастиц модель идеального газа становится неприменимой. Взаимодействие квазичастиц между собой и со стенками сосуда обусловливает вязкость нормальной компоненты.
Остальная часть Не II - сверхтекучая компонента - вязкостью не обладает и поэтому свободно протекает через узкие щели и капилляры; её плотность r s=r - r n,где r - плотность жидкости. При Т= 0 ,r s=r ,при увеличении температуры концентрация квазичастиц растет, поэтому r s уменьшается и, наконец, обращается в нуль при Т = Т l (С. в l-точке исчезает, рис. 1 ). Согласно теории Ландау, жидкость перестаёт быть сверхтекучей и в случае, когда скорость её потока превышает критическое значение, при котором начинается спонтанное образование ротонов (см. Квантовая жидкость ) .При этом сверхтекучая компонента теряет импульс, равный импульсу испускаемых ротонов, и, следовательно, тормозится. Однако экспериментальное значение критической скорости существенно меньше той, которая требуется по теории Ландау для разрушения С.
С микроскопической точки зрения появление С. в жидкости, состоящей из атомов с целым спином (
бозонов
)
,например атомов
4He, связано с переходом при
Т<
Т
l
значительного числа атомов в состояние с нулевым импульсом. Это явление называется
Бозе - Эйнштейна конденсацией,а совокупность перешедших в новое состояние атомов - Бозе-конденсатом. Существование в Не II атомов, обладающих различным характером движения, - атомов конденсата и атомов, не вошедших в конденсат, - приводит к двухжидкостной гидродинамике Ландау (Н. Н.
Боголюбов;1947, 1963). Состояние всех частиц Бозе-конденсата описывается одной и той же квантовомеханической
волновой функцией
(конденсатной функцией) y =
, где
n
o-плотность конденсата, j - фаза волновой функции. В случае, если атомы слабо взаимодействуют между собой,
n
oсовпадает с r
s.В Не II из-за сильного взаимодействия атомов
n
oсоставляет при
Т= 0 лишь несколько процентов r
s.Скорость движения сверхтекучей компоненты u
s
связана с j соотношением
, где
-
градиент
функции j,
m - масса атома
4He,
и
h -
Планка постоянная.Это означает, что сверхтекучая компонента движется потенциально (см.
Потенциальное течение
) и, следовательно, не испытывает сопротивления со стороны обтекаемых ею предметов и стенок канала или сосуда.
Потенциальность течения сверхтекучей компоненты может нарушаться на осях т. н. квантованных вихрей, которые отличаются от вихрей в обычных жидкостях (см. Вихревое движение ) тем, что циркуляция скорости вокруг оси вихря квантуется (Л. Онсагер,1948; Р. Фейнман,1955). Квант циркуляции скорости равен h/m.Квантованные вихри осуществляют взаимодействие между сверхтекучей и нормальной компонентами сверхтекучей жидкости. Это взаимодействие приводит хотя и к слабому, но конечному затуханию потока сверхтекучей жидкости в замкнутом канале. При некоторой скорости движения сверхтекучей компоненты относительно нормальной компоненты или стенок сосуда квантованные вихри начинают образовываться настолько интенсивно, что свойство С. исчезает. В рамках этой теории С. пропадает при скоростях, существенно меньших предсказываемых теорией Ландау и более близких к реальным значениям критической скорости. Квантованные вихри наблюдаются экспериментально при вращении сосуда с Не II. Кроме того, в экспериментах с ионами, инжектируемыми в Не II, обнаружены квантованные вихри, имеющие форму кольца.
Сверхтекучесть 3He.При определённых условиях С. может осуществляться и в системах, состоящих из атомов с полуцелым спином - фермионов (в т. н. ферми-жидкостях). Это происходит в том случае, когда между фермионами имеются силы притяжения, которые приводят к образованию связанных состояний пар фермионов, т. н. куперовских пар (см. Купера эффект ) .Куперовские пары обладают целым спином, поэтому могут образовывать Бозе-конденсат. С. такого рода осуществляется для электронов в некоторых металлах и носит название сверхпроводимости.Аналогичная ситуация имеет место в жидком 3He, атомы которого имеют спин 1/ 2и образуют типичную квантовую ферми-жидкость. Свойства ферми-жидкости можно описать как свойства газа квазичастиц-фермионов с эффективной массой примерно в 3 раза большей, чем масса атома 3He. Силы притяжения между квазичастицами в 3He очень малы, лишь при температурах порядка нескольких мКв 3He создаются условия для образования куперовских пар квазичастиц и возникновения С. Открытию С. у 3He способствовало освоение эффективных методов получения низких температур - Померанчука эффекта и магнитного охлаждения.С их помощью удалось выяснить характерные особенности диаграммы состояния 3He при сверхнизких температурах ( рис. 2 ). В отличие от 4He (см. рис. 1 к ст. Гелий ) ,на диаграмме состояния 3He обнаружены две сверхтекучие фазы (А и Б). Переход нормальной ферми-жидкости в фазу Апредставляет собой фазовый переход II рода (