Сверхпроводимость

сопротивление некоторых металлов полностью исчезает.
"Ртуть переходит в новое состояние, которое

вследствие его необычных электрических свойств может быть названо сверхпроводящее состояние". 

История развития сверхпроводимости

Нобелевская премия по физике 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые
привели к производству жидкого гелия»  

В 1908 году впервые удалось получить жидкий гелий.
Температура жидкого гелия 4,2К

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

for “their important breakthrough in the discovery of superconductivity in

ceramic materials”.

Беднорц Георг
Германия, 1950.

Мюллер Алекс
Швейцария, 1927.

1986 год

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

теории сверхпроводимости и сверхтекучести
Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости -в 1935 году1935 году Фрицем1935

году Фрицем и Хайнцем Лондоном1935 году Фрицем и Хайнцем Лондоном (англ.).
Более общая теория была построена в1950 годув1950 году Л. Д. Ландаув1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом -известна как теория Гинзбурга — Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона БардинаДжона Бардина, Леона КупераДжона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера.

Теории сверхпроводимости

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

разрушающего сверхпроводимость
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

цинк, азот и др.).
Парамагнетики — µ чуть>1,  µ(Al)=1,000023 (кислород, никель и

др.).

Диамагнетизм 
(от греч. Dia  – расхождение и магнетизм)
свойство веществ намагничиваться
навстречу приложенному магнитному полю

Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы 

(например инертные газы, водород, азот, NaCl и др.).

Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле 
в направлении внешнего магнитного поля (Jв направлении внешнего магнитного поля (J↑↑H)
 и имеют положительную магнитную восприимчивость и имеют положительную магнитную восприимчивость. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. 

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

В её основе лежит концепция куперовской пары(Теория Бардина, Купера, Шриффера) — микроскопическая теория сверхпроводников, являющаяся на сегодняшний

день доминирующей. В её основе лежит концепция куперовской пары: коррелированного состояния электронов с противоположными спинами и импульсами. В 1972 году(Теория Бардина, Купера, Шриффера) — микроскопическая теория сверхпроводников, являющаяся на сегодняшний день доминирующей. В её основе лежит концепция куперовской пары: коррелированного состояния электронов с противоположными спинами и импульсами. В 1972 годусоздатели теории были удостоены Нобелевской премии по физике.

Феноменологические уравнения Гинзбурга — Ландау

Зависимость намагниченности от магнитного поля для разных значений параметра    . Наклонная прямая, проходящая через начало координат, отвечает полному эффекту Мейсснера, когда магнитное поле в глубине сверхпроводника полностью экранируется.
У сверхпроводников второго рода в интервале магнитных полей имеет место частичный эффект Мейсснера (смешанное состояние сверхпроводника).

Коэффициенты в уравнение Гинзбурга — Ландау были в 1959 году вычислены
 Л. П. Горьковым на основе микроскопической теории сверхпроводимости.

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

LaALO3
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

сверхпроводниками, заполненный диэлектриком толщиной 1–2 нм. Сверхпроводящий ток в этом

случае протекает через барьер, характеризующийся нулевой разностью потенциалов.

Сверхпроводники, характеризуются электронной упорядоченностью, фазовой когерентностью. При этом все электронные пары в данном сверхпроводнике характеризуются волновыми функциями, имеющими одинаковую фазу, и ток отсутствует (                         ). Однако, если образовать туннельный контакт, состоящий из двух различных сверхпроводников, то через такой контакт, даже в отсутствие разности потенциалов          V=0, потечет ток, зависящий от разности фаз 
Плотность тока Джозефсона

Вид вольт-амперной характеристики контакта
металл-диэлектрик-сверхпроводник при 0 К и
вблизи критической температуры 

стационарный

Типичная вольт-амперная характеристика контакта А1-Аl2О3-А1
(сверхпроводник¾диэлектрик¾сверхпроводник)

(В 1962 году Брайан Джозефсон —студент-старшекурсник) 

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

обе волны придут без разности фаз. При наличии магнитного поля

в контуре будет наводиться циркулирующий сверхпроводящий в контуре будет наводиться циркулирующий сверхпроводящий ток. Этот ток в одном из контактов будет вычитаться из постоянного внешнего тока, а во втором — складываться с ним.
Теперь две ветви будут иметь разные токи, и между туннельными контактами возникнет разность фаз.
Волны электронов, пройдя через контакты и соединившись, будут интерферировать. Интерференция проявится как зависимость критического тока СКВИДА от приложенного внешнего магнитного поля. Ступенчатый характер зависимости позволяет чувствовать отдельные кванты потока

Электрическая схема СКВИДа на постоянном токе, здесь Ib — внешний ток через СКВИД, I0 — критический ток, Φ — магнитный поток, приложенный к контуру, V — падение напряжения на СКВИДе.

 ВАХ СКВИДа.
Верхняя кривая-           ,
нижняя -

СКВИД-магнитометры -рекордно высокая чувствительностью,
5·10−33 Дж/Гц , (чувствительность по магнитному полю  10−13 Тл)

СКВИД -аналог оптического эффекта с интерференцией от двух щелей, только в данном случае интерферируют не световые волны, а два джозефсоновских тока

Нестационарный эффект Джозефсона  используется в интерференционных устройствах СКВИДах (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device) —«сверхпроводящий квантовый интерферометр»

Устойчивое сверхпроводящее состояние кольца к внешнему току - полный магнитный поток через интерферометр будет равен целому числу квантов потока  . Неустойчивое сверхпроводящее состояние -полуцелому числу : достаточно приложить к интерферометру ничтожный ток, чтобы он перешел в резистивное состояние и вольтметр обнаружил напряжение на интерферометре.

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

и излучений, оборудование для связи в микроволновом диапазоне.
силовые применения

кабели, токоограничители, магниты, моторы, генераторы, накопители энергии.

Эти два направления очень разнятся между собой и практически не пересекаются.
Материальной базой для электроники являются структуры на основе тонких эпитаксиальных плёнок размером не более 100 см2,
а базой силовых применений – гибкие провода длиной более километра, способные передавать большой ток.

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

экраны, модуляторы, антенны, коммутаторы и фильтры СВЧ- и импульсных сигналов,

многослойные пленочные структуры, включающие, помимо слоев ВТСП, слои диэлектриков, сегнетоэлектриков, нормальных металлов,

болометры миллиметрового, субмиллиметрового и инфракрасного диапазона излучений,

принципиальные схемы сверхбыстродействующих компьютеров,

чувствительные медицинские томографы и сверхчувствительные диагностические устройства, способны рееагировать даже на изменения психического состояния человека

Маломощная электроника

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

ВТСП (в зависимости от объема)
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР,

2013

R. Wőrdenweber,
"Modeling and experimental investigation of HTS planar resonators and filters

on sapphire substrate", Superconductor Science and Technology, Vol. 12, pp. 394-399, February 1999.

Полоски – YBa2Cu3O7 (d = 250 нм)
Заземленная пластина – золото
Подложка – сапфир (r-срез)

Полоса пропускания – 3.5%
Вносимые потери – 0.8 дБ (T = 27 K)

8-звенный ВТСП-фильтр на сапфире r-среза

60 K)
Крутизна фронтов – 40 дБ / МГц
I. B. Vendik, A.

N. Deleniv, V. O. Sherman, A. A. Svishchev, V. V. Kondratiev, D. V. Kholodniak, A. V. Lapshin, P. N. Yudin, B.-C. Min, and B. Oh, "Narrow-band Y-B-Cu-O filter with quasi-elliptic characteristic", IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 11, No. 1, pp. 477-480, 2001.

Проводники – YBa2Cu3O7 (d = 450 нм)
Подложка – LaAlO3 (h = 0.5 мм)

• 12-звенный ВТСП-фильтр для базовой станции сотовой связи стандарта PCS

Экспериментальные характеристики фильтра

=3·106 (Ом·м)-1
γ = 2.2; α = 10
Подложка LaAlO3:

h = 0.52 мм
εr = 23.6

*) M. S. Gashinova, M. N. Goubina, G. Y. Zhang, I. A. Kolmakov, Ya. A. Kolmakov, and I. B. Vendik, "High-Tc superconducting planar filters with pseudo-Chebyshev сharacteristic", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 51, No. 3, pp. 792-795, March 2003.

12-звенный ВТСП-фильтр на подложке из LaAlO3*)

Полоса пропускания – 1.5%
Вносимые потери – 0.2 дБ (T = 50 K)
Крутизна фронтов – 8 дБ / МГц

– 0.9 dB
Slope parameter – 30 dB/MHz
Return loss – 15

dB

Size: 40 х 16 mm2

M.F. Sitnikova, I.B. Vendik, O.G. Vendik, D.V. Kholodnyak, P.A. Tural’chuk, I.V. Kolmakova, P.Yu. Belyavskii, A.A. Semenov, Modeling and Experimental Investigation of Microstrip Resonators and Filters Based on High_Temperature Superconductor Films Technical Physics Letters, 2010, Vol. 36, No. 9, pp. 862–864. © Pleiades Publishing, Ltd., 2010

фильтра на основе высокотемпературного сверхпроводника / М.Ф. Ситникова, И.Б. Вендик,

О.Г. Вендик, Д.В. Холодняк, П.А. Туральчук, И.В. Колмакова, П.Ю. Белявский, А.А. Семенов // Письма в ЖТФ, - 2010. - Т.36, Вып.18.

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

предельно низкий уровень шумов
- легко встраиваются в систему с охлажденными

МШУ
Малошумящие приемники: болометры, смесители
- имеют предельно низкий уровень шумов, обеспечивают высокую чувствительность

15 куб.мм

1330 - 1730 MГц

0.1dB max

20 dB min

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

"вмороженным" магнитным потоком,
(2) поезда на магнитной подушке (проект MAGLEV),

(3) механические (ротационные) аккумуляторы энергии на основе левитирующих маховиков (flying wheels),
(4) подшипники, вращающиеся без силы трения,
(5) эффективные, экономичные моторы и сверхмощные генераторы, трансформаторы,
(6) магнитные сепараторы руды,
(7)сверхпроводящие реле, быстродействующие ограничители предельно допустимого тока,
(8) мощные бездиссипативные тоководы,
(9) активно применяющиеся в медицине томографы,
(10) мощные магнитные системы для термоядерного синтеза, ускорителей элементарных частиц (Токамак нового поколения),
(11) магнитогидродинамические генераторы.

Силовая электротехника

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013

на промышленной основе и в объеме (многие километры), достаточном для

большинства требуемых применений.

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2013