Сверхпроводники

Сверхпроводники, вещества, у которых при охлаждении ниже определённой критической температуры Т_к электрическое 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_к почти 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 поля Н_к, выше которого С. переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. С ростом температуры значение Н_к монотонно падает и обращается в нуль при Т ³ Т_к. Максимальное значение Н_к = H₀, определённое из экспериментальных данных путём экстраполяции к нулю абсолютной температурной шкалы, для ряда С. приведено в таблице.

Самой высокой из известных (1974) Т_к обладает соединение Nb₃Ge, приготовленное по специальной технологии.

Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, современная теория не даёт возможности рассчитать значения Т_к или Н_к для 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 Н₀, 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 V₃Ga 14,5 "350000 Nb₃Sn 18,0 "250000 (Nb₃AI)₄Nb₃Ge 20,0 - Nb₃Ge 23 - GeTe* 0,17 130 SrTiO₃* 0,2-0,4 "300 Pb_1,0Mo_5,1S₆ "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_к или Н_к для 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_к и Н_к. Важнейшие из этих закономерностей, известные под названием правил Маттиаса (установлены Б. Т. Маттиасом, США, 1955), сводятся к следующему: наибольшая Т_к наблюдается у сплавов с числом 2 валентных электронов на атом ~3, 5, 7, причём для каждого z предпочтительней свой тип кристаллической решётки. Кроме того, Т_к растет 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 Н в 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 V₃Ga, Nb₃Sn, 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_к2 полей 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_к1 обычно 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_к и Н_к типа V₂Ga, Nb₃Sn, Pbi_1,0Mo_5,1S₆. 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.