Высокотемпературные оксидные сверхпроводники

Сверхпроводимостью обладают более тысячи металлических сплавов, и среди них существуют такие, у отдельных компонентов которых это свойство отсутствует. Сверхпроводимостью обладают: ряд проводящих органических полимеров соединения фуллерена С₆₀ с щелочными металлами. После открытия оксидных сверхпроводников она была обнаружена у борида магния и арсенида железа. Однако эти материалы обладают низкими критическими температурами, Т_с, ниже 30 К.

Существенный прорыв достигнут в 1986 г. после открытия высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) у оксидных керамических купратов La_2-xBa_xCuO₄ с высокими Т_с исследователями из компании IBM Й.Беднорцем  и К.Мюллером (получившими за это Нобелевскую премию по физике), что привело к беспрецедентному всплеску научно-исследовательской активности в мировой науке и было вызвано перспективами и радужными ожиданиями от практического использования этих материалов. Позднее были открыты сверхпроводники YBa₂Cu₃O_7-x (знаменитый 1:2:3 YBCO, изучению свойств которого посвящено более 20 тысяч научных статей), Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (Bi-2223), Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ (Tl-2223), у которых критическая температуры превышает температуру кипения жидкого азота, т. е. они становятся сверхпроводниками при погружении в жидкий азот. Сотрудниками химического факультета С.Н.Путилиным и Е.В.Антиповым были открыты совершенно  новые ртутьсодержащие сверхпроводники. У одного из них, HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+δ, достигнута рекордная Т_с = 135 К, которая под давлением 350 тыс. атм. возрастает до 164 К.

Тем не менее, первоначальные оптимистические оценки быстро превратились в очень скромные, поскольку исследователи осознали сложность проблем получения этих материалов ВТСП в приемлемой для практического использования форме при сохранении свойств сверхпроводимости. Прогресс был заторможен множеством имманентных проблем, связанных с самой природой этих материалов, в частности наличием слабых связей, крипом магнитного потока, химической деградацией в присутствии паров воды и СО₂, неудовлетворительными магнитными свойствами.

Величина критической плотности тока J_c для поликристаллических материалов ВТСП с межзеренными границами всегда ниже, чем у соответствующих монокристаллов. Высокоугловые границы выступают в качестве слабых джозефсоновских связей, что приводит к существенному подавлению сверхпроводимости через границу раздела в магнитном поле. Зависимость межзеренной J_c от угла разориентации определена для YBCO с различными типами границы наклона плоскостей [001] и [100]. Слабыми связями являются высокоугловые границы всех типов. Такие же эксперименты выполнены на бикристаллах разных ВТСП, Tl-2212, Tl-2223,  Tl-1223 и др. В них, как и у YBCO, J_c сильно зависит от угла разориентации межзеренных границ. Таким образом, низкая J_c у поликристаллических ВТСП связана с тем, что частные высокоугловые границы препятствуют протеканию тока на большие расстояния. С помощью традиционных технологий удалось получить три типа поликристаллических материалов ВТСП с небольшими J_c: провода, содержащие ВТСП Bi-2223 и полученные методом «порошок в трубке»; пленки Tl-1223, полученные пиролизом аэрозоля; и толстые пленки Bi-2212, выращенные из расплава. Эти материалы относятся к первому поколению ВТСП-проводов. Далее было выяснено, что проводимость на большие расстояния в поликристаллических ВТСП осуществляется по сети связанных малоугловых границ, и для улучшения сверхпроводящих свойств необходимо добиться увеличения доли малоугловых и сокращения доли высокоугловых границ путем формирования биаксиальной текстуры дальнего порядка материалов. Такую текстуру, близкую по кристаллографическим характеристикам к монокристаллу, должны иметь гибкие провода длиной около 1 км. Поэтому дальнейшие разработки в области ВТСП были сосредоточены преимущественно на технологиях  =  перечисленные проблемы привели к разработке ВТСП-проводов второго поколения. Разработаны три метода создания гибких металлических подложек, поверхность которых покрыта слоем оксида с биаксиальной структурой типа протяженного монокристалла. На этот оксидный слой эпитаксиально наращивается толстый слой ВТСП YBCO. Первый метод заключается в осаждении, стимулированном ионным пучком, второй подхода представляет собой осаждение на наклонную подложку. Третий технологический метод называется «подложки с биаксиальной текстурой, полученной с помощью прокатки». Здесь преимущественно используется длинная лента сплава Ni_0,95W_0,05, на которую поочередно наносятся буферные слои, слои ВТСП, защитные слои, всего более 10 слоев, что стало возможным благодаря решению сложнейших научных и технологических проблем. В настоящее время  получены ВТСП-провода длиной до 1000 м, сматывающиеся и разматывающиеся без механических повреждений и имеющие исключительно высокие сверхпроводящие характеристики: плотность критического тика до 3•10⁶ А/см², критическая температура 91 К, дрейф параметров вдоль всего провода не превышает 3 %.

Исследования ВТСП в настоящее время проводятся интенсивно и разносторонне. Изучаются физико-химические механизмы формирования многослойных текстурированных и эпитаксиальных покрытий, природы слабых связей. Эти работы носят отчетливо выраженную направленность на промышленную реализацию фундаментальных научных и технологических разработок.

(Использованная литература: Ю.Д. Третьяков. Соросовский образовательный журнал,-1999, № 3, с 75; Е.В.Антипов, С.Н.Путилин. Природа 1994, Ц 10, с 3; Токонесущие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников. Ред. А.Гоял. М.,Изд ЛКИ, 2009 г., 432 с).