Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.967 RSS
←   Июнь 2008   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.967 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

Сверхпроводники ReFeAsO можно использовать для генерации очень сильных магнитных полей


«Хронология далекого прошлого»

Хронология далекого прошлого

18 тысяч лет назад...
330 миллионов лет назад...
Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять?

Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

Сверхпроводники ReFeAsO можно использовать для генерации очень сильных магнитных полей

08.06.2008

Рис. 1. Проникновение магнитного поля в сверхпроводник 2-го рода происходит в виде так называемых абрикосовских вихрей — несверхпроводящий участок материала с кольцевым током, который несет в себе квант магнитного потока. Изображение с сайта nauka.relis.ru
Рис. 1. Проникновение магнитного поля в сверхпроводник 2-го рода происходит в виде так называемых абрикосовских вихрей — несверхпроводящий участок материала с кольцевым током размером ξ, который несет в себе квант магнитного потока Φ0. Изображение с сайта nauka.relis.ru

Последние теоретические и экспериментальные исследования физиков указывают на то, что недавно открытые высокотемпературные сверхпроводники с общей формулой ReFeAsO, возможно, могут использоваться в устройствах для создания постоянных сильных магнитный полей вплоть до 300 Тл.

«Элементы» уже сообщали об открытии нового класса высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Напомним, что они имеют общую формулу ReFeAsO (где Re обозначает какой-либо из редкоземельных металлов: Sm — самарий, Nd — неодим, Pr — празеодим, Ce — церий, La — лантан) и двумерную кристаллическую структуру подобную купратным (содержащим оксид меди) ВТСП. Эти сверхпроводники состоят из чередующихся слоев ReO и FeAs, «обеспечивающих» материал носителями зарядов и проводящими плоскостями соответственно. При этом критическая температура Tc сильно зависит от размера редкоземельного атома, входящего в состав ВТСП, и степени допирования фтором (то есть того, в какой пропорции атомы кислорода в ВТСП были заменены атомами фтора).

Самое большое значение критической температуры в этом классе соединений (зафиксированное у SmFeAsO) составляет 55 К, что на 22 К ниже температуры кипения азота, что, конечно, пока не дает оснований надеяться на скорый прорыв в решении проблемы комнатной сверхпроводимости. Однако, как недавно было показано, этот новый класс ВТСП может найти применение в другой важной сфере прикладных научных исследований, а именно в создании магнитных полей с очень высоким значением магнитной индукции В.

Но сначала немного теории. Важными характеристиками сверхпроводящего состояния являются длина когерентности ξ (то есть расстояние, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние) и лондоновская глубина проникновения (см. London penetration depth) магнитного поля в сверхпроводник λ. Понятие длины когерентности было введено английским физиком Альфредом Пиппардом (Alfred Pippard) еще до создания теории БКШ (Бардина–Купера–Шриффера) и, как выяснилось с созданием микроскопической теории сверхпроводимости, грубо говоря означает размер ! куперовской пары. Понятие лондоновской глубины проникновения появилось в результате теоретических исследований братьев Хайнца и Фрица Лондонов (Heinz London и Fritz London) по электродинамике сверхпроводящего состояния, и дало возможность объяснить эффект Мейснера — явление выталкивание магнитного поля из сверхпроводника.

Рис. 2. Основные элементы конструкции сверхпроводящего магнита: 1 — контакт для присоединения к внешним цепям; 2 — многожильный сверхпроводящий провод в изоляционном покрытии, припаянный к контакту; 3 — рабочий объем соленоида, максимальная напряженность поля создается в его центре; 4 — текстолитовый диск для монтажа контактов и закрепления соленоида в криостате; 5 — металлический каркас соленоида; 6 — сверхпроводящая обмотка; 7 — силовой бандаж обмотки; 8 — изолирующие прокладки между слоями обмотки. Рис. с сайта bse.sci-lib.com
Рис. 2. Основные элементы конструкции сверхпроводящего магнита: 1 — контакт для присоединения к внешним цепям; 2 — многожильный сверхпроводящий провод в изоляционном покрытии, припаянный к контакту; 3 — рабочий объем соленоида, максимальная напряженность поля создается в его центре; 4 — текстолитовый диск для монтажа контактов и закрепления соленоида в криостате; 5 — металлический каркас соленоида; 6 — сверхпроводящая обмотка; 7 — силовой бандаж обмотки; 8 — изолирующие прокладки между слоями обмотки. Рис. с сайта bse.sci-lib.com

С появлением в 1950 году феноменологической теории сверхпроводимости Гинзбурга–Ландау (см. также Ginzburg-Landau theory) оказалось, что параметры ξ и λ увеличиваются с ростом температуры по одинаковому закону. Поэтому отношение k = λ / ξ представляет собой константу и, как показал спустя 7 лет Алексей Абрикосов, является критерием деления сверхпроводников на две группы: сверхпроводники 1-го рода &! mdash; когда , и 2-го рода — когда . К сверхпроводникам 1-го рода относятся все чистые элементы-сверхпроводники, кроме ванадия и ниобия. Сплавы, интерметаллические соединения, а также вышеупомянутые ванадий и ниобий — это сверхпроводники 2-го рода. Их важным отличием от сверхпроводников 1-го рода является необычное поведение в магнитном поле. До некоторого значения Bc1 магнитное поле не попадает внутрь сверхпроводника (эффект Мейснера выполняется), при дальнейшем увеличении поля от Bc1 до некоторого значения Bc2 оно проникает в сверхпроводник в виде «нитей» с кольцевыми токами (их называют абрикосовс! кими вихрями; см. Abrikosov vortex), представляющих собой нормальный, несверхпроводящий участок размером порядка длины когерентности и несущих в себе квант магнитного потока Φ0 (см. рис. 1).

По мере увеличения поля вихри постепенно заполняют весь сверхпроводник. Условно говоря, в образце одновременно сосуществуют сверхпроводящие и нормальные области — чем ближе магнитное поле к Bc2, тем больше нормальных областей. Такое состояние сверхпроводника называют резистивным (также его называют смешанным состоянием или фазой Шубникова). Несмотря на наличие нормальных областей, в целом образец остается сверхпроводящим, то есть по-прежнему проводит ток без сопротивления. Когда же значение магнитного поля достигает Bc2, сверхпроводимость полностью разрушается.

Величины Bc1 и Bc2 называют первым (нижним) и вторым (верхним) критическим полем сверхпроводника. Как правило, значение первого критического поля невысокое и может составлять порядка сотых долей тесла (у Земли магнитное поле приблизительно равно 0,0005 Тл), зато второе поле значительно выше и достигает нескольких тесла (см. рис. 3). Это позволяет на практике использовать сверхпроводники второго рода как важный элемент в конструкции магнитов для создания постоянных сильных полей, не превышающих значение Bc2 (см. на рис. 2 схему сверхпроводящего магнита). Достаточно «запустить» в сверхпроводящую обмотку ток, и создаваемое этой обмоткой поле не будет уменьшаться.

Рис. 3. Параметры некоторых сверхпроводников второго рода. (* — для иттрий-бариевой керамики второе критическое поле в силу анизотропии кристаллической решетки зависит от направленности магнитного поля; первая цифра 70 соответствует случаю, когда силовые линии магнитного поля ориентированы параллельно образцу, вторая — когда перпендикулярно.) Для сравнения: в сверхпроводниках 1-го рода сверхпроводимость разрушается при значениях критического поля, в основном не превышающих 0,1 Тл. Рекордсменом является ниобий, у которого значение критического поля равно 0,198 Тл
Рис. 3. Параметры некоторых сверхпроводников второго рода. (* — для иттрий-бариевой керамики второе критическое поле в силу анизотропии кристаллической решетки зависит от направленности магнитного поля; первая цифра 70 соответствует случаю, когда силовые линии магнитного поля ориентированы параллельно образцу, вторая — когда перпендикулярно.) Для сравнения: в сверхпроводниках 1-го рода сверхпроводимость разрушается при значениях критического поля Bc, в основном не превышающих 0,1 Тл. Рекордсменом является ниобий, у которого Bc = 0,198 Тл

Поскольку, в силу своего химического состава, соединения ReFeAsO относятся к сверхпроводникам второго рода, естественным образом возник вопрос о магнитных свойствах этих материалов. Иными словами, каково значение Bc2 для ReFeAsO? Одними из первых таким вопросом задались физики из Национальной лаборатории высоких магнитных полей США. Они проводили измерения магнетосопротивления (в дальнейшем просто сопротивления) образца LaFeAsO0.89F0.11 (Тс = 26 К) размером 3 × 1 × 0,5 мм в присутствии сильного магнитного поля, силовые линии которого были направ! лены вначале перпендикулярно, а потом вдоль «лицевой» плоскости материала. Для измерений был использован так называемый гибридный магнит (hybrid magnet), способный создавать постоянное до 9 Тл, или переменное (импульсное) поле до 45 Тл. На рис. 4 приведены результаты измерений для различных температур, не превышающих Тс. Несовпадение графиков справа и слева объясняется анизотропией физических свойств данного материала, что присуще не только ему, но и вообще всем ВТСП.

Рис. 4. Зависимость сопротивления образца от приложенного магнитного поля в диапазоне температур от 4,2 до 25 К. а — силовые линии магнитного поля ориентированы перпендикулярно плоскости образца, b — параллельно. Горизонтальные черные штрихпунктирные линии обозначают отношение сопротивления образца к его сопротивлению в нормальном состоянии. Рис. из статьи F. Hunte et al.
Рис. 4. Зависимость сопротивления образца от приложенного магнитного поля в диапазоне температур от 4,2 до 25 К. а — силовые линии магнитного поля ориентированы перпендикулярно плоскости образца, b — параллельно. Горизонтальные черные штрихпунктирные линии обозначают отношение сопротивления образца к его сопротивлению в нормальном состоянии. Рис. из обсуждаемой статьи F. Hunte et al.

Проанализировав данные зависимости сопротивления образца от магнитного поля, исследователи построили графики функций B(T) для трех резистивных состояний: когда сопротивление LaFeAsO0.89F0.11 составляет 10, 50 и 90% от сопротивления в нормальном состоянии (см. рис. 5).

Рис. 5. а — зависимость магнитного поля В от температуры Т в трех различных резистивных состояниях: сопротивление образца составляет 10% сопротивления в нормальном состоянии (красная пунктирная линия); 50% (синяя линия) и 90% (черная линия). Пустые и заполненные фигуры на графиках означают соответственно ориентацию силовых линий магнитного поля вдоль образца и перпендикулярно ему. b — сравнение экспериментальной и теоретической зависимостей В(Т), рассчитанной в рамках теории Гинзбурга–Ландау для сверхпроводящего состояния. Красная кривая соответствует сопротивлению образца, равному 10% от нормального сопротивления, черная — 90%. Черные квадраты, соответствующие полю выше 45 Тл, посчитаны с помощью экстраполяции. Рис. из обсуждаемой статьи F. Hunte et al.
Рис. 5. а — зависимость магнитного поля В от температуры Т в трех различных резистивных состояниях: сопротивление образца составляет 10% сопротивления в нормальном состоянии (красная пунктирная линия); 50% (синяя линия) и 90% (черная линия). Пустые и заполненные фигуры на графиках означают соответственно ориентацию силовых линий магнитного поля вдоль образца и перпендикулярно ему. b — сравнение экспериментальной и теоретической зависимостей В(Т), рассчитанной в рамках теории Гинзбурга–Ландау для сверхпроводящего состояния. Красная кривая соответствует сопротивлению образца, равному 10% от нормального сопротивления, черная — 90%. Черные квадраты, соответствующие полю выше 45 Тл, посчитаны с помощью экстраполяции. Рис. из обсуждаемой статьи F. Hunte et al.

Из графиков легко заметить, что второе критическое поле как минимум должно превосходить 60 Тл.

Практически одновременно аналогичные измерения были проведены группой ученых из Австралии и Ирана для другого соединения из класса ReFeAsO — NdFeAsO0.82F0.18 (Тс = 51 К). Правда, в их распоряжении был магнит, способный генерировать магнитное поле не более 13 Тл, а измерения Bc2 проводились, когда силовые линии были направлены только вдоль исследуемого образца. Тем не менее удалось установить, что второе критическое поле для сверхпроводника NdFeAsO0.82F0.18 должно составлять уже около 300 Тл (рис. 6)!

Рис. 6. Сравнение экспериментальных (эллипсы) и теоретических (сплошные линии) зависимостей магнитного поля В от температуры Т для четырех различных резистивных состояний: когда сопротивление образца составляет 10% от сопротивления в нормальном состоянии (синяя линия), 50% (красная), 90% (лиловая) и 99% (черная; очень близко к значению Вс2). Теоретические кривые были рассчитаны в рамках теории Гинзбурга–Ландау. Рис. из обсуждаемой статьи X. L. Wang et al.
Рис. 6. Сравнение экспериментальных (эллипсы) и теоретических (сплошные линии) зависимостей магнитного поля В от температуры Т для четырех различных резистивных состояний: когда сопротивление образца составляет 10% от сопротивления в нормальном состоянии (синяя линия), 50% (красная), 90% (лиловая) и 99% (черная; очень близко к значению Вс2). Теоретические кривые были рассчитаны в рамках теории Гинзбурга–Ландау. Рис. из обсуждаемой статьи X. L. Wang et al.

Насколько же перспективно использование данного класса ВТСП для создания магнитов с постоянным полем? В настоящее время наибольшее значение магнитной индукции, которое создает сверхпроводящий магнит, составляет приблизительно 26 Тл. Как видим, благодаря арсенид-железным сверхпроводникам есть возможность создавать поля как минимум в два (если речь идет о LaFeAsO0.89F0.11), а то и в 10 раз (в случае NdFeAsO0.82F0.18) сильнее ныне существующих. Поля такой величины на данный момент создаются лишь в импульсном режиме в течение небольшого промежутка времени — порядка микросекунды, а то и меньше. Возможное создание на основе этих ВТСП постоянных магнитов с такими значениями магнитной индукции несомненно найдет применение в разнообразных научных исследованиях, например в ускорителях заряженных частиц, в моделировании процессов внутр! и звезд, в процессах магнитного охлаждения и т. д.

Однако остается открытым вопрос о механической устойчивости магнитов, генерирующих поля с такими гигантскими значениями индукции. Сильные магнитные поля способны запросто деформировать конструкцию магнита. Происхождение этого эффекта связано с действием так называемой силы Ампера — силы, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Зависимость давления магнитного поля (см. Magnetic pressure) от его «силы» (индукции В) является квадратичной: например, если при В = 1 Тл создается давление 4 атмосферы, то увеличение магнитного поля в 100 раз увеличит давление до 40 тыс. атмосфер. Неизвестно, сможет ли выдержать такую нагрузку конструкция со сверхпроводящим магнитом. В любом случае, последнее сл! ово останется за технологами. Удастся ли им создать такие постоянные магниты, покажет время.

Источники:
1) F. Hunte, J. Jaroszynski, A. Gurevich, D. C. Larbalestier, R. Jin, A. S. Sefat, M. A. McGuire, B. C. Sales, D. K. Christen, D. Mandrus. Two-band superconductivity in LaFeAsO0.89F0.11 at very high magnetic fields // Nature. Published online 28 May 2008 (doi:10.1038/nature07058). Полный текст доступен также в архиве е-принтов: arXiv:0804.0485.
2) X. L. Wang, R. Ghorbani, G. Peleckis, S. X. Dou. Very high critical field and superior Jc-field performance in NdO0.82F0.18FeAs with Tc of 51 K // arXiv:0806.0063 (31 May 2008).

Юрий Ерин

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

07.06 Горизонтальный обмен генами заменяет коловраткам половое размножение

Виды животных, отказавшиеся от полового размножения, обычно быстро вымирают. Из этого правила есть загадочное исключение — бделлоидные коловратки: десятки миллионов лет они размножаются только партеногенетически и при этом продолжают процветать. Оказалось, что у них есть еще одна уникальная особенность — они часто обмениваются генами с другими организмами.

05.06 Первопоселенцы Гренландии не были предками современных эскимосов

Анализ митохондриальной ДНК из человеческих волос возрастом 4000 лет, найденных в западной Гренландии, показал, что палеоэскимосы не были предками современных гренландских и канадских эскимосов; их родственные связи с палеоиндейцами (америндами) также не подтвердились. Их мтДНК указывает на родство с алеутами и азиатскими (чукотскими) эскимосами.

04.06 У губок не всё так просто, как кажется

Исследования последних лет показали, что самые простые многоклеточные — губки — представляют собой сложный симбиотический комплекс, включающий более сотни различных микроорганизмов, причем их состав у губок разных видов очень схожий. Это означает, что губки приобрели симбионтов в самом начале своей эволюции и по неизвестной причине сохранили их состав неизменным.

03.06 Чувство справедливости основано на эмоциях, а не на рассудке

Американские нейробиологи обнаружили, что в ходе размышления над моральными дилеммами, требующими выбора между «более справедливым» и «более эффективным» решением, у людей избирательно возбуждаются три небольших участка мозга, связанных не с рассудочно-логической деятельностью, а с эмоциями.
В избранное