Большая Советская Энциклопедия (СВ)

Большая Советская Энциклопедия

Температура перехода сверхпроводящее состояние критическое магнитное поле для ряда металлов, полупроводников, сплавов и соединений

	Вещество	Критическая температура ТК, К	Критическое поле Н, 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
Pb1,0Mo5,1S6	»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_ктипа 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.

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 = 2I_c |cos p Ф/Ф_о|,

где Ф_о = 2x10^{– 7}гс см² — 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_c в контуре испытывает осцилляции (рис. 2). Ток /^к_с достигает 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 Н исследуемого 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 lbФ_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 10⁷—10⁹ гц и 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 (~10³гц), 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.