Šis darbas skirtas superlaidumo istorijos, medžiagų, taikymo sričių bei perspektyvų apžvalgai ir analizei. Darbe trumpai aprašysiu svarbiausių superlaidumui atradimų raidą, problemas su kuriomis susiduria superlaidumo mokslas.
Šis darbas skirtas superlaidumo istorijos, medžiagų, taikymo sričių bei perspektyvų apžvalgai ir analizei. Darbe trumpai aprašysiu svarbiausių superlaidumui atradimų raidą, problemas su kuriomis susiduria superlaidumo mokslas, medžiagas, kuriose pasireiškia superlaidumas bei tam reikalingas sąlygas, paties superlaidumo fiziką, taikymo sritis ir perspektyvas, naujausius atradimus ir Lietuvoje atliekamus tyrimus, susijusius su HTS.
Dar XX amžiaus pradžioje mokslininkai susidūrė su superlaidumu. Tačiau praktiniam fenomeno panaudojimui didžiausia kliūtis buvo labai žema temperatūra, kurioje jis pasireikšdavo. Situacija pasikeitė 1986 m., kai aukštose temperatūrose buvo atrasta nauja keramikinių superlaidininkų klasė. Taip gimė naujas aukštų temperatūrų superlaidumas (HTS – High-Temperature Superconductivity).
Superlaidumo istorija
XX amžiaus pradžioje (1911m.) danų fizikas Heike Kamerlingh Onnes aptiko, kad atšaldytame iki labai žemos temperatūros (4 Kelvinų) gyvsidabryje dingo jo varža. Šiuo atradimu prasidėjo superlaidumo tyrimai.
Prabėgus keliems dešimtmečiams, superlaidumas vis dar buvo įdomus mokslinis faktas be ryškaus pritaikymo praktikoje. 1960 m. buvo pagamintas pirmas superlaidus laidas iš niobio ir alavo. Šis laidas, vėliau pagamintas iš niobio ir titano lydinio, inicijavo praktinį superlaidumo pritaikymą.
Minėtas lydinys, naudojamas ir iki šiol, priskiriamas prie žemų temperatūrų superlaidininkų. Tokie superlaidininkai tam, kad taptų superlaidžiais, turi būti atšaldyti iki 20 K (-253 °C). Dabar jie plačiai naudojami magnetinio rezonanso atvaizdavimui MRI (Magnetic Resonance Imaging), mašinose, didelės energijos fizikoje bei branduolinėje fizikoje. Platesniam pritaikymui trukdė milžiniškos medžiagų atšaldymo išlaidos skystajam heliui, kuris būtinas atšaldymo procese.
Pigaus superlaidumo viltis atsirado po dviejų aštuoniasdešimtaisiais padarytų atradimų. 1986 m., du IBM mokslininkai Alexsd Mülleris ir Georgas Bednorzas atrado naują superlaidininkų rūšį. Priešingai negu žemų temperatūrų superlaidininkai, kurie buvo metaliniai arba pusiau metaliniai, šie buvo keramikiniai ir superlaidūs iki pat 35 K (238 °C). Mülleris ir Bednorzas už jų atradimą gavo Nobelio premiją. 1987 m. Paulas Chu iš Hiustono universiteto atrado mišinį, kuris pasižymėjo superlaidumu prie 94 K (-179 °C). Šis atradimas buvo ypač svarbus tuo, kad šią medžiagą galima atšaldyti pigiu ir laisvai prieinamu skystuoju azotu. Keramikinės superlaidžios medžiagos buvo pavadintos aukštos temperatūros superlaidininkais HTS (High-Temperature superconductors).
Šiuolaikiniai aukštos temperatūros superlaidininkai vis labiau iš laboratorinių tyrimų objekto tampa prekybos objektu. Bismuto pagrindu sudarytos medžiagos naudojamos superlaidiems laidams bei ritėms gaminti. Iš talio ir itrio gaunamos medžiagos, naudojamos kaip superlaidžios dalys elektroniniuose prietaisuose. O XXI amžiuje superlaidumas žada superlaidžius variklius, generatorius, energijos kaupimo sistemas, galingus laidus, taip pat manoma pasikeis elektros generavimo, perdavimo ir naudojimo būdai.
Lentelėje Nr. 1 pateikiu svarbiausius žingsnius ir įvykius susijusius su superlaidumu, nuo HTS atradimo iki mūsų laikų (red. past.: elektronika.lt skaitytojai gali ją rasti parsisiuntę originalų failą [405,75 KB]).
Medžiagos
Superlaidžias medžiagas galima suskirstyti į du tipus. Pirmąjį tipą daugiausia sudaro gryni metalai, kurie kambario temperatūroje pasižymi tam tikru laidumu. Šio tipo superlaidininkai, dar vadinami minkštais, buvo atrasti pirmi ir, tam kad taptų superlaidžiais, reikalauja žemesnės temperatūros, nes reikia sumažinti molekulines vibracijas, kurios trukdo elektronų lėkį (kaip tai vyksta ir dėl ko – aprašysiu sekančiame skyriuje). Taip pat jie pasižymi labai staigiu perėjimu į superlaidumo būseną (1 pav.) ir „tobulu“ diamagnetizmu (savybė atstumti magnetinį lauką).
1 pav. Medžiagos varžos charakteristika žemoje temperatūroje.
Pirmame priede pateikiu žinomų pirmo tipo superlaidininkų sąrašą su jų kritinės temperatūros (Tc) reikšmėmis. Beje, varis, auksas ir sidabras – geriausi laidininkai – nepasižymi superlaidumu.
Ne visiems metalams užtenka vien labai žemos temperatūros, yra tokių, kuriems superlaidumą pasiekti būtinas aukštas slėgis. Pavyzdžiui, siera – pirmojo tipo superlaidininkas, turintis didžiausią Tc reikšmę (17K), reikalauja 930000 atmosferų slėgio kad taptų superlaidžiu, ir 1,6 milijono atmosferų kad pasiektų tai prie Tc=17K. Periodinėje elementų lentelėje (2 pav.) pateikti visi žinomi pagrindiniai superlaidininkai (tarp jų niobis, technecis ir vanadis, kurie yra antro tipo superlaidininkai).
2 pav. Žinomos superlaidžios medžiagos
