Текст книги "Штурм абсолютного нуля"

Автор книги: Генрих Бурмин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 10 страниц)

10. Скафандры для сверхпроводников. В плену у гелиевых температур. О лягушке, полимерах и металлическом водороде. Синица в руках или журавль в небе? Двойная сенсация.

Человек, выходя в открытый космос, облачается в скафандр, изолирующий его от внешней среды. Внутри скафандра созданы условия, благоприятные для жизнедеятельности человеческого организма.

Сверхпроводники, о которых шла речь в предыдущих главах, как бы пришли к нам из мира, где царят немыслимо низкие температуры. Чтобы они могли существовать рядом с нами, пришлось создавать привычную для них атмосферу: заключать их в своего рода скафандры – оболочки, внутри которых циркулирует жидкий гелий.

Читатель уже знает, что гелий – газ редкий и дорогой. Конденсация его в жидкое состояние требует немалых затрат. Жидкий гелий быстро нагревается и выкипает, если его тщательно не изолировать в специальной многоступенчатой емкости. Обычно в сверхпроводящих устройствах оболочка с жидким гелием в свою очередь заключается в оболочку, где циркулирует жидкий азот. Это тоже обходится недешево и создает немалые технические трудности.

Применение сверхпроводников, охлаждаемых жидким гелием, экономически и технически оправдано только при решении особо сложных проблем, где обычные средства оказываются бессильными.

Может ли существовать сверхпроводимость если не при комнатной температуре, то хотя бы при температурах, достижимых с помощью жидкого водорода или жидкого азота – веществ гораздо более доступных и менее «привередливых», чем жидкий гелий? Такой вопрос уже давно поставили перед собой ученые.

В науке возникла проблема высокотемпературной сверхпроводимости.

В обыденной жизни высокими температурами считают те, которые выше комнатной. В мире сверхпроводимости высокими считаются температуры даже значительно ниже нуля градусов по Цельсию.

Вполне естественно стремление исследователей получить сверхпроводники с возможно большей критической температурой.

Напоминаем, что первый сверхпроводник – ртуть с критической температурой 4,2К – был открыт в 1911 году. Через два года максимальная критическая температура повысилась на ЗК. Был открыт сверхпроводящий свинец с критической температурой 7,2К. А чтобы повысить максимальную критическую температуру еще на 2К, понадобилось 17 лет. В 1930 году был открыт сверхпроводящий ниобий с критической температурой 9,2К.

Относительно большого повышения максимальной критической температуры удалось добиться в 50–х годах с появлением сверхпроводящих сплавов. А в 1973 году промелькнула надежда освободиться из плена гелиевых температур, то есть температур, достижимых с помощью жидкого гелия. Был получен сверхпроводящий сплав ниобий – германий с критической температурой 23,4К.

Температура кипения водорода 20,4К. Значит, принципиально возможно охладить сплав ниобий– германий с помощью жидкого водорода. Но работать со сверхпроводниками в области температур, близких к критическим, невыгодно, а подчас невозможно из‑за снижения критического магнитного поля и критического тока. Ведь при критической температуре критическое магнитное поле и критический ток равны нулю и увеличиваются по мере отхода от критической в сторону более низких температур.

Установленный в 1973 году рекорд критической температуры 23,4 К в течение долгих лет оставался непревзойденным. У некоторых физиков этот период получил название «смутного времени сверхпроводимости».

В чем причина такого застоя?

Теоретические расчеты показывают, что сверхпроводимость, возникающая благодаря межэлектронному притяжению в результате взаимодействия электронов с кристаллической решеткой металла, принципиально осуществима при критической температуре до 25–30 К.

В то время исследователи уже приблизились к этому пределу, и надо было изыскивать другие возможности повышения критической температуры.

«А может быть, стоит опять прибегнуть к помощи… лягушки?» – подумали ученые.

Ведь, препарируя лягушку, итальянский профессор Луиджи Гальвани пришел к мысли о существовании животного электричества.

Можно без преувеличения сказать: именно с опытов Гальвани началась история современной электротехники.

Вот что сказал по этому поводу во вступительном слове на X Международной конференции по физике низких температур академик П. Л. Капица:

«Мы не должны забывать, что в природе, в частности в живых организмах, металл не используется для передачи электрических импульсов. Наши нервы, по которым проходят электрические импульсы, имеют не металлические свойства, и значит, что в природе существует механизм, который может передавать электрический импульс по среде, имеющей полимерную структуру».

Теоретическая разработка проблемы высокотемпературной сверхпроводимости началась в 1964 году с появлением работ американского физика

В. Литтла и крупного советского физика академика Виталия Лазаревича Гинзбурга.

Теоретическая модель Литтла основана на использовании полимеров. Напомним, что полимеры – это вещества, состоящие из макромолекул, то есть молекул, содержащих большое количество (вплоть до десятков и тысяч) валентно связанных атомов.

Эта модель представляет собой полимер с главной осью, вдоль которой перемещаются электроны проводимости. От главной оси отходят боковые ветви, причем содержащиеся в них электроны способны совершать колебательные движения.

Электрон проводимости посредством кулоновских сил вызывает смещение электронов в боковой ветви. В результате этого смещения в боковой ветви происходит поляризация, и на ближайшем к глазной оси конце боковой ветви наводится положительный заряд. Этот заряд притягивает к себе другой электрон главной оси.

Получается картина, схожая с той, которую мы наблюдаем при сверхпроводимости в обычном проводнике. Но роль кристаллической решетки теперь играют боковые ветви полимера.

Электроны на боковых ветвях могут быть более подвижными, чем ионы кристаллической решетки, и притяжение, которое они создают между электронами на главной оси полимера, проявляется сильней, чем в обычном сверхпроводнике. По идее это должно было бы привести к высокотемпературной сверхпроводимости.

Хотя сейчас уже открыты полимерные сверхпроводники, их критическая температура очень мала.

Другой механизм сверхпроводимости, не связанный со взаимодействием электронов с решеткой кристалла, был предложен В. Л. Гинзбургом.

Если на поверхность тонкого металлического образца нанести слой диэлектрика, то взаимодействие между электронами в металле усиливается в результате относительно легкой поляризуемости диэлектрика, что может привести к высокотемпературной сверхпроводимости.

Представьте себе этакий «сандвич» (это название утвердилось и в науке), состоящий из тонкой металлической пленки, с обеих сторон покрытой слоями диэлектрика.

Движущиеся в металле электроны проводимости поляризуют диэлектрик, создавая поблизости избыточный положительный заряд, который обуславливает возможность притяжения электронов.

Большие надежды ученые связывали с металлическим… водородом.

Может ли вообще существовать металлический водород?

Современная наука дает положительный ответ на этот вопрос.

Каждое вещество, подвергаемое действию все возрастающего давления, должно, в конце концов, перейти в металлическое состояние.

Идея о переходе молекулярного водорода в металлическое состояние имеет многолетнюю историю. Она была высказана в связи с изучением структуры так называемых водородных планет Юпитера и Сатурна, твердая оболочка которых состоит, по – видимому, в основном из водорода и гелия.

Предполагается, что источником энергии, излучаемой водородными планетами, является гравитационное сжатие, сопровождаемое переходом водорода в металлическое состояние.

Полный расчет уравнений состояния водорода в структуре водородных планет сделал в 1964 году А. А. Абрикосов.

Несоизмеримо возрос интерес к металлическому водороду в конце 60–х годов, когда произведенные расчеты показали, что это вещество может перейти в сверхпроводящее состояние при температуре значительно более высокой, чем все ранее известные сверхпроводники.

Правда, на пути к металлическому водороду немало технических трудностей.

Надо не только сжать исходное вещество давлением порядка двух – трех миллионов атмосфер. Необходимо перевести металлический водород, как говорят физики, в метастабильное состояние, то есть он должен сохранить свои свойства и при нормальном атмосферном давлении.

Вместе с тем внимание исследователей высокотемпературной сверхпроводимости привлекло и другое водородоподобное соединение, одной из составных частей которого являются… дырки.

Можно ли мыслить дырку от бублика без… бублика? В обыденной жизни «дырка от бублика» лишь образное выражение. Однако в микромире «дырки» как бы обретают самостоятельное существование.

Если, например, атом кристалла полупроводника теряет один валентный электрон, то, грубо говоря, образуется свободное место, которое так и называется: «дырка», несущая положительный заряд.

Дырка и электрон, в силу электростатического притяжения между ними, при определенных условиях образуют единое целое, получившее название «экситон». Это понятие впервые было введено в науку в 1931 году выдающимся советским физиком Я. И. Френкелем.

Экситон по своим свойствам похож на атом водорода.

Если масса дырки значительно больше массы электрона, то экситоны полупроводника могут образовывать периодическую решетку, аналогичную решетке из протонов и электронов в твердом водороде.

Такой полупроводник может быть переведен в металлическое состояние при давлении в 100 раз меньшем, чем это требуется для получения металлического водорода. Как показало теоретическое исследование А. А. Абрикосова, полупроводник с решеткой из «дырок» должен обладать, подобно металлическому водороду, высокотемпературной сверхпроводимостью.

Обсуждались и другие теоретические модели. Но получить вещество, в котором практически осуществился бы тот или иной механизм высокотемпературной сверхпроводимости, долгое время не удавалось.

Это не могло не разочаровать исследователей, рассчитывающих на сиюминутный успех. Считая, что лучше иметь синицу в руках, чем журавля в небе, они переключились на решение более «легких» проблем.

Другие сочли, что исследования по сверхпроводимости достигли последнего рубежа и дальнейший успех в этой области принципиально невозможен.

К их числу относился, в частности, видный американский физик Б. Маттиас, который немало сделал и в области получения сверхпроводящих материалов. В своем выступлении на первой конференции по проблеме высокотемпературной сверхпроводимости он сказал, что впервые участвует в конференции по несуществующей проблеме.

Многие лаборатории отошли от ранее традиционной для них тематики. Но были ученые, которые оставались верными рыцарями одной из важнейших проблем современной физики.

В 60–70–х годах академик В. Л. Гинзбург с группой сотрудников Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР провели ряд фундаментальных теоретических исследований в области высокотемпературной сверхпроводимости, на основании которых пришли к глубоко обоснованному выводу о том, что не существует физических законов, которые могли бы помешать созданию сверхпроводников, «работающих» даже при температуре 300К. Ученые наметили основные направления работ в этой области.

Работы Гинзбурга и его коллег были опубликованы в ряде отечественных и зарубежных научных журналов, обобщены в объемной монографии «Проблема высокотемпературной сверхпроводимости», вышедшей в 1977 году под редакцией В. Л. Гинзбурга и другого известного физика Д. А. Киржница. А в начале 80–х годов был опубликован английский перевод этой книги.

В январском выпуске 1971 года журнала «Успехи физических наук» В. Л. Гинзбург писал, что в области высокотемпературной сверхпроводимости «…быть может, вовсе не нужно проводить какой‑то сверхсложный синтез новых веществ и совсем не исключена возможность добиться успеха сравнительно скромными (хотя и современными) средствами. Поэтому я не удивился бы, если бы прочел о создании высокотемпературного сверхпроводника в очередном номере физического журнала (другое дело, что в этом случае, по всей видимости, возникла бы сенсация, и о новостях мы бы узнали из газет или радиопередач)».

Прогноз советского академика сбылся почти буквально.

Открытие высокотемпературного сверхпроводника наконец состоялось, а изготовлен он был из керамики, материала, известного человеку еще с древних времен.

11. «Возвращение каменного века». Ученые из Цюриха начинают «… выигрывают. Магические цифры. Три кита, на которых держится сверхпроводимость.

Слово «керамика» происходит от греческого «керамос», что в переводе означает «глина».

Керамика – один из древнейших материалов, известных на Земле. Первые керамические изделия появились за пять тысячелетий до новой эры, на исходе каменного века.

Пластичность глины была известна людям с незапамятного времени. Человек, который первым до – гадался подвесить изделие, вылепленное из глины, над костром, разумеется, не мог предположить, что изобрел замечательный материал, который впоследствии получит широчайшее распространение. Мягкая и податливая глина под действием огня сделалась твердой как камень. Из керамики (обожженной глины) делали сосуды для приготовления пищи.

…Проходили века и тысячелетия. Костры и простейшие горны сменились механическими печами. Совершенствовались техника обжига и технология производства.

Керамика окружает нас в повседневной жизни: от посуды и домашней утвари до санитарных приборов. Это один из основных материалов в строительстве. Трудно представить, что керамика – это и легкая фаянсовая чашечка и грубый увесистый кирпич.

Современная керамика – не только материал, сформованный из глин с различными добавками. Это также изделия, в состав которых глины вообще не входят. Они состоят из других минеральных масс, подвергаемых обжигу при температуре от 900 °C и выше.

Керамические материалы имеют ряд преимуществ перед металлами. Они выдерживают более высокие температуры, стойкие к действию кислот, и не подвержены коррозии. По прочности керамика почти не уступает алмазу. Удельный вес ее меньше, чем у металлов, и изделия из нее соответственно легче. Сырье для керамики дешево и имеется почти всюду.

Керамический резец, например, легко вгрызается в стальную заготовку. Инструменты из керамики применяются в металлообработке.

Керамические материалы используются на атомных электростанциях, в экспериментальных установках термоядерного синтеза. Керамические покрытия защищают корпуса космических кораблей при входе их в плотные слои атмосферы. Применяется керамика в самолетостроении, приборостроении, электротехнике и других отраслях промышленности.

Вместе с тем керамические материалы отличаются хрупкостью, они чувствительны к изменениям температуры: при резком охлаждении трескаются.

Некоторые специалисты считают, что при усовершенствовании технологии производства керамика сделается одним из основных материалов в технике и промышленности.

К числу восторженных поклонников керамики следует отнести авторов статьи, опубликованной в начале 1987 года в западногерманском научно– популярном журнале «Гео». В этой статье, озаглавленной «Возвращение каменного века», они пишут: «По типу применяемых материалов определенные этапы в истории человечества называются каменным, бронзовым и железным веками. Наше время принято называть атомным веком. Следующая эпоха имеет все основания называться веком керамики».

Многие годы и десятилетия длились поиски высокотемпературных сверхпроводников. А в результате в фавориты вышел не благородный металл, не солидный сплав с двойной «фамилией» и даже не уроженец далекой планеты – металлический водород, а оксидная керамика, получаемая путем спекания порошков окислов металлов.

Давно известно, что большинство окислов являются прекрасными… изоляторами и, казалось, обнаружить в них сверхпроводимость невозможно.

Швейцарский ученый Карл Алекс Мюллер и западногерманский физик Йоган Георг Беднорц, работающие в исследовательской лаборатории цюрихского филиала известной американской фирмы ИБМ, в течение многих месяцев исследовали разные окислы, варьируя их составляющие и изменяя режимы термообработки. Наконец на исходе 1985 года, сплавив в определенной пропорции окислы бария, лантана и меди, они обнаружили, что у полученного соединения при температуре 30—35К резко падает электрическое сопротивление.

«Похоже, что это начало перехода вещества в сверхпроводящее состояние», – подумали ученые.

Однако они не спешили опубликовывать результаты своих экспериментов. Слишком неправдоподобным выглядел такой скачок критической температуры, сразу на 7—12 кельвинов выше прежнего рекорда.

Сообщение о своем открытии они послали в научный журнал лишь в середине апреля 1986 года.

И вот в сентябрьском номере журнала «Zeitschrift fur Physik B» появилась статья под названием: «Возможная сверхпроводимость в системе барий– лантан – медь – кислород».

Многие физики сдержанно отнеслись к этой публикации. И раньше из разных стран поступали сообщения об открытии сверхпроводников с еще большей критической температурой. К сожалению, попытки повторить эти результаты успеха не имели. Один физик предложил специальный термин: «невоспроизводимые сверхпроводники». И теперь никто не хотел попадать впросак.

Мог ли кто предполагать, что пройдут считанные месяцы и критическая температура керамических сверхпроводников возрастет еще на несколько десятков кельвинов, а их первооткрыватели А. Мюллер и Г. Беднорц будут удостоены Нобелевской премии по физике за 1987 год. Это, пожалуй, единственный случай в практике присуждения нобелевских наград, когда открытие получило столь быстрое признание.

А. Мюллер родился в 1927 году в городе Базеле, в Швейцарии. В 1958 году он окончил знаменитую Федеральную высшую политехническую школу в Цюрихе (Цюрихский политехникум). В 1962 году защитил докторскую диссертацию.

Профессор Мюллер – один из ведущих в мире специалистов по физике твердого тела. В фирме ИБМ он работает уже свыше 25 лет, является членом ее научного совета.

Г. Беднорц значительно моложе своего коллеги. Он родился в 1950 году в небольшом западногерманском городе Нойнкирхине. Высшее образование получил в одном из старейших в стране университете города Мюнстера (ФРГ). В 1982 году защитил докторскую диссертацию в Цюрихском политехникуме и был принят на работу в фирму ИБМ.

Область научных интересов Мюллера и Беднорца совпала. Их первая совместная публикация появилась в 1983 году.

Но наиболее выдающихся научных результатов они достигли не в той области, в которой специализировались. В физике сверхпроводимости они были новичками.

Однако следует ли считать их успех делом случая? В науке все взаимосвязано. Подлинные ученые не ограничивают свои интересы какой‑либо узкой областью. К таким разносторонним ученым принадлежит и профессор А. Мюллер.

Оксидные соединения исследовались в разных странах начиная с 60–х годов.

В июньском номере за 1979 год «Журнала неорганической химии» была опубликована статья сотрудников Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова Академии наук СССР И. С. Шаплыгина, Б. Г. Кахана и В. Б. Лазарева.

Авторы исследовали некоторые оксиды, в том числе барий – лантан – медь – кислород. Обратите внимание: это то же самое соединение, о котором шла речь выше. Ученые проверили его на электрическую проводимость вплоть до азотных температур и… остановились. Можно сказать, они держали в руках жар – птицу и… упустили ее.

…Среди ученых, которые с самого начала отнеслись с доверием к сообщению из Швейцарии, был американский физик Пол Чу, возглавляющий небольшую, скромно оснащенную исследовательскую группу в Хьюстонском университете.

Чу не только воспроизвел результаты физиков из Цюриха, но и пошел дальше.

В хьюстонской лаборатории есть установка для испытания материалов под высоким давлением.

Имея в своем распоряжении такую аппаратуру» Чу решил подвергнуть соединение лантан – барий – медь – кисло – род действию высокого давления.

– Словно произошло чудо, – рассказывал Чу, – температура перехода в сверхпроводящее состояние взвилась, словно ракета.

При давлении 10 тысяч атмосфер она возросла до 52 К.

«Давление срабатывает, – подумал Чу, – по – тому, что оно расщепляет молекулярную структуру вещества, а это каким‑то образом поднимает его температуру сверхпроводимости».

Исследователю приходит в голову мысль: «сжать» вещество изнутри, заменив барий стронцием – элементом, схожим с барием, но с меньшей атомной массой.

Опыт увенчался успехом.

Температура сверхпроводящего перехода соединения лантан – стронций – медь – кислород оказалась равной 36К при нормальном атмосферном давлении.

Итак, после многолетних поисков застарелый рекорд 1973 года (23,4К) был превзойден почти на 13 кельвинов.

После такого выдающегося успеха все крупные лаборатории мира, занимающиеся изучением сверхпроводимости, активно включились в поиск и исследование новых металлооксидных сверхпроводников.

В первых главах книги мы рассказали о том, как ученые наперегонки стремились ворваться в область абсолютного нуля температуры.

Теперь перед соревнующимися предстала обратная задача: вырваться подальше из плена гелиевых температур.

И на этот раз, сделав стремительный рывок, вышла вперед группа Чу.

Сначала Чу решил еще сильнее «сжать» исходное вещество, заменив стронций элементом с еще меньшей атомной массой – кальцием.

Но увы! Температура сверхпроводящего перехода упала до 20К.

Казалось, дело зашло в тупик.

Тогда Чу предложил взяться за лантан – редкоземельный компонент соединения.

Мо Куэн Ву, бывший аспирант Чу, возглавляющий часть его группы, которая работала в Ала бамском университете, заменил лантан другим редкоземельным элементом – иттрием.

…Был на исходе январь 1987 года. Мир еще не знал о событиях, происходящих в те дни в стенах университетской лаборатории в городе Ханствилл, на юге США.

Приготовив образец соединения иттрий – барий– медь – кислород, Ву и его коллеги приступили к испытаниям… К их изумлению, электрическое сопротивление образца начало резко падать при неправдоподобно высокой температуре 93К.

«Мы были так возбуждены и так нервничали, – вспоминает Ву, – что руки у нас тряслись. Сначала мы подозревали, что произошла ошибка».

Повторив через несколько дней эксперимент, Чу и Ву добились перехода вещества в сверхпроводящее состояние еще при более высокой температуре: 98К.

Почти одновременно образцы иттрий – бариевой керамики с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100К были получены группой А. И. Головашкина в лаборатории сверхпроводимости Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР, а также в ряде других лабораторий и институтов Советского Союза.

Такие сверхпроводники можно охлаждать жидким азотом (температура его кипения 77К).

Нетрудно представить, насколько проще, дешевле и надежнее сделаются сверхпроводящие устройства, охлаждаемые жидким азотом. Это легкодоступное вещество, извлекаемое почти в буквальном смысле слова из… воздуха. Достаточно сказать, что литр жидкого азота стоит меньше, чем, скажем, литр молока или литр лимонада, а хранить его можно в обычном термосе.

Открытие керамических высокотемпературных сверхпроводников вызвало интерес во всем мире. В промышленно развитых странах возрастающими темпами разворачиваются работы по дальнейшему усовершенствованию высокотемпературных сверхпроводников, созданию новых сверхпроводящих устройств.

Взгляните на график, иллюстрирующий рост критической температуры сверхпроводников в течение календарного времени.

На протяжении многих десятилетий эта кривая медленно, словно нехотя, поднималась вверх.

За период с 1911 по 1986 год, то есть за 75 лет, критическую температуру удалось увеличить всего на 20 кельвинов, то есть прирост составлял в среднем чуть больше четверти кельвина в год. Легко рассчитать, что при дальнейшем продвижении такими темпами исследователи достигли бы рубежа азотных температур где‑то в середине XXII века.

Как в природе, так и в обществе периоды плавного эволюционного развития сменяются революционными скачками.

Революция в области сверхпроводимости произошла в конце 1986—начале 1987 года, когда критическая температура увеличилась скачком на 70 кельвинов (жирный участок кривой на графике).

В дни, когда пишутся эти строки, революция в области сверхпроводимости продолжается.

130… 150… 170… 200… и даже 500 кельвинов… Такие сообщения о достигнутой температуре сверхпроводящего перехода поступают из разных источников.

Какие из этих результатов окажутся достаточно достоверными, а кто в пылу «сверхпроводящей лихорадки» принял желаемое за достигнутое, пока сказать трудно.

Трудные ступени критической температуры сверхпроводников: 1– ртуть; 2– свинец; 3– ниобий; 4– ниобий – олово; 5– ниобий – германий; 6– лантан – стронций – медь-кислород; 7– иттрий – барий – медь – кислород. Температура кипения: А – жидкого гелия, Б – жидкого водорода, В – жидкого азота.

Согласно поверью древних, Земля стоит на трех китах.

Три «кита», на которых держится сверхпроводимость, это – критическая температура, критическое магнитное поле и критический ток.

Варьируя состав керамики иттрий – барий– медь – кислород, исследователи получили соединение, которому присвоили название: фаза «один– два – три», отражающее количественное соотношение его составляющих – иттрия, бария и меди.

Критическая температура этого соединения, в зависимости от способа приготовления образцов и режима их термообработки, лежит в пределах 94—98К, что примерно на 20 кельвинов выше точки кипения жидкого азота.

Рассказывая об истории открытия высокотемпературных сверхпроводников, автор намеренно избегал термина «критическая температура». У первых керамических высокотемпературных сверхпроводников переход в сверхпроводящее состояние был «размыт»: электрическое сопротивление не сразу падало до нуля, а лишь при дополнительном охлаждении на несколько, а порой на десяток кельвинов.

У иттрий – бариевых сверхпроводников состава «один – два – три» при достижении критической тем – пературы электрическое сопротивление почти сразу падает до нуля.

Примечательно, что в данном случае цифры «один – два – три» оказались «магическими».

Все соединения типа иттрий – барий – медь – кисло– род состава «один – два – три», в которых вместо иттрия последовательно брали редкоземельные элементы: скандий, европий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, являются сверхпроводниками с критической температурой от 85 до 96К.

Еще раз автор напоминает читателю, что при критической температуре критическое магнитное поле и критический ток равны нулю и увеличиваются по мере отхода от критической в сторону более низких температур.

Поэтому особое значение приобретает то обстоятельство, что иттрий – бариевые сверхпроводники можно охлаждать с помощью жидкого азота до температуры на 20К ниже критической. Такой «запас прочности» обеспечивает получение достаточно больших критических магнитных полей и критических токов.

Верхнее критическое магнитное поле иттрий – ба– риевых сверхпроводников достигает 100 тесла, что значительно превышает прежний рекорд 60 тесла, наблюдаемый у одного из соединений на основе сульфидов молибдена. Помните, об этом рассказывалось в шестой главе.

Еще сравнительно недавно исследователей удручало, что критический ток керамических сверхпроводников имеет мизерную величину, значительно меньшую, чем у «классических» сверхпроводников. Плотность критического тока не превышала нескольких ампер на квадратный сантиметр.

Путем усовершенствования технологии изготовления удалось увеличить плотность критического тока иттрий – бариевых сверхпроводников до 10 тысяч ампер на квадратный сантиметр. Иными словами, через стержень сечением в один квадратный сантиметр, охлаждаемый жидким азотом, можно пропускать без каких‑либо потерь ток силой десять тысяч ампер.

Значительно большая плотность критического тока получена на керамических сверхпроводящих пленках.

Оригинальный способ синтеза сверхпроводящих пленок методом напыления с помощью лазера разработан в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР. Такая пленка отличается высокой стабильностью, а плотность тока составляет 2,6 миллиона ампер на квадратный сантиметр.

В календаре открытий высокотемпературной сверхпроводимости месяц январь встречается дважды.

В конце января 1987 года был открыт, как читатель, наверное, помнит, иттрий – бариевый высокотемпературный сверхпроводник.

Спустя год, в конце января 1988 года, ученый мир узнал, что открыт новый высокотемпературный сверхпроводник – висмутовая керамика. Стал известен и ее состав: две части висмута, три части стронция и кальция, две части меди, восемь частей кислорода.

У висмутовой керамики критический ток примерно такой же, как у иттрий – бариевой, но она имеет ряд преимуществ: более стабильна, химически стойкая, менее хрупкая.

Ожидается, что по плотности тока и некоторым другим характеристикам висмутовая керамика превзойдет своих предшественниц. К тому же она дешевле, так как не содержит редкоземельный элемент иттрий, который в десять раз дороже висмута. В лабораториях СССР, Японии, США проводятся интенсивные исследования этого перспективного высокотемпературного сверхпроводника.

Одним из главных препятствий для промышленного применения керамических сверхпроводников является их хрупкость. Но ведь, как читатель уже знает, хрупкостью отличается и сплав ниобий – олово. А сверхпроводящие провода и кабели из него уже не первый год успешно используют в технике и промышленности, даже на таких ответственных участках, как экспериментальные установки термоядерного синтеза.

Но керамические сверхпроводники имеют и свои специфические особенности.

Известно, что одной из составных частей существующих сверхпроводящих проводов является медь. Однако у керамических сверхпроводников «дружба» с медью пока не состоялась: керамика содержит кислород, а медь быстро окисляется.

Чтобы керамику можно было использовать для изготовления проводов и кабелей, предстоит решить нелегкие технологические задачи.

Промышленность уже изготовляет керамические сверхпроводники в виде колец, пластин, цилиндриков.

Процесс изготовления сверхпроводящей керамики достаточно прост.

Смесь порошков – исходных компонентов соединения, тщательно измельченных и перемешанных в нужной пропорции, – прокаливается на воздухе при температуре 950 °C в течение 12 часов. После охлаждения до комнатной температуры будущий сверхпроводник прессуют и придают требуемую форму. Затем еще прокаливают в течение шести часов в атмосфере чистого кислорода и медленно охлаждают.