Сверхпроводники ReFeAsO можно использовать для генерации очень сильных магнитных полей

Рис. 1. Проникновение магнитного поля в сверхпроводник 2-го рода происходит в виде так называемых абрикосовских вихрей — несверхпроводящий участок материала с кольцевым током размером ξ, который несет в себе квант магнитного потока Φ₀. Изображение с сайта nauka.relis.ru

Последние теоретические и экспериментальные исследования физиков указывают на то, что недавно открытые высокотемпературные сверхпроводники с общей формулой ReFeAsO, возможно, могут использоваться в устройствах для создания постоянных сильных магнитный полей вплоть до 300 Тл.

«Элементы» уже сообщали об открытии нового класса высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Напомним, что они имеют общую формулу ReFeAsO (где Re обозначает какой-либо из редкоземельных металлов: Sm — самарий, Nd — неодим, Pr — празеодим, Ce — церий, La — лантан) и двумерную кристаллическую структуру подобную купратным (содержащим оксид меди) ВТСП. Эти сверхпроводники состоят из чередующихся слоев ReO и FeAs, «обеспечивающих» материал носителями зарядов и проводящими плоскостями соответственно. При этом критическая температура T_c сильно зависит от размера редкоземельного атома, входящего в состав ВТСП, и степени допирования фтором (то есть того, в какой пропорции атомы кислорода в ВТСП были заменены атомами фтора).

Самое большое значение критической температуры в этом классе соединений (зафиксированное у SmFeAsO) составляет 55 К, что на 22 К ниже температуры кипения азота, что, конечно, пока не дает оснований надеяться на скорый прорыв в решении проблемы комнатной сверхпроводимости. Однако, как недавно было показано, этот новый класс ВТСП может найти применение в другой важной сфере прикладных научных исследований, а именно в создании магнитных полей с очень высоким значением магнитной индукции В.

Но сначала немного теории. Важными характеристиками сверхпроводящего состояния являются длина когерентности ξ (то есть расстояние, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние) и лондоновская глубина проникновения (см. London penetration depth) магнитного поля в сверхпроводник λ. Понятие длины когерентности было введено английским физиком Альфредом Пиппардом (Alfred Pippard) еще до создания теории БКШ (Бардина–Купера–Шриффера) и, как выяснилось с созданием микроскопической теории сверхпроводимости, грубо говоря означает размер куперовской пары. Понятие лондоновской глубины проникновения появилось в результате теоретических исследований братьев Хайнца и Фрица Лондонов (Heinz London и Fritz London) по электродинамике сверхпроводящего состояния, и дало возможность объяснить эффект Мейснера — явление выталкивание магнитного поля из сверхпроводника.

Рис. 2. Основные элементы конструкции сверхпроводящего магнита: 1 — контакт для присоединения к внешним цепям; 2 — многожильный сверхпроводящий провод в изоляционном покрытии, припаянный к контакту; 3 — рабочий объем соленоида, максимальная напряженность поля создается в его центре; 4 — текстолитовый диск для монтажа контактов и закрепления соленоида в криостате; 5 — металлический каркас соленоида; 6 — сверхпроводящая обмотка; 7 — силовой бандаж обмотки; 8 — изолирующие прокладки между слоями обмотки. Рис. с сайта bse.sci-lib.com

С появлением в 1950 году феноменологической теории сверхпроводимости Гинзбурга–Ландау (см. также Ginzburg-Landau theory) оказалось, что параметры ξ и λ увеличиваются с ростом температуры по одинаковому закону. Поэтому отношение k = λ / ξ представляет собой константу и, как показал спустя 7 лет Алексей Абрикосов, является критерием деления сверхпроводников на две группы: сверхпроводники 1-го рода — когда , и 2-го рода — когда . К сверхпроводникам 1-го рода относятся все чистые элементы-сверхпроводники, кроме ванадия и ниобия. Сплавы, интерметаллические соединения, а также вышеупомянутые ванадий и ниобий — это сверхпроводники 2-го рода. Их важным отличием от сверхпроводников 1-го рода является необычное поведение в магнитном поле. До некоторого значения B_c1 магнитное поле не попадает внутрь сверхпроводника (эффект Мейснера выполняется), при дальнейшем увеличении поля от B_c1 до некоторого значения B_c2 оно проникает в сверхпроводник в виде «нитей» с кольцевыми токами (их называют абрикосовскими вихрями; см. Abrikosov vortex), представляющих собой нормальный, несверхпроводящий участок размером порядка длины когерентности и несущих в себе квант магнитного потока Φ₀ (см. рис. 1).

По мере увеличения поля вихри постепенно заполняют весь сверхпроводник. Условно говоря, в образце одновременно сосуществуют сверхпроводящие и нормальные области — чем ближе магнитное поле к B_c2, тем больше нормальных областей. Такое состояние сверхпроводника называют резистивным (также его называют смешанным состоянием или фазой Шубникова). Несмотря на наличие нормальных областей, в целом образец остается сверхпроводящим, то есть по-прежнему проводит ток без сопротивления. Когда же значение магнитного поля достигает B_c2, сверхпроводимость полностью разрушается.

Величины B_c1 и B_c2 называют первым (нижним) и вторым (верхним) критическим полем сверхпроводника. Как правило, значение первого критического поля невысокое и может составлять порядка сотых долей тесла (у Земли магнитное поле приблизительно равно 0,0005 Тл), зато второе поле значительно выше и достигает нескольких тесла (см. рис. 3). Это позволяет на практике использовать сверхпроводники второго рода как важный элемент в конструкции магнитов для создания постоянных сильных полей, не превышающих значение B_c2 (см. на рис. 2 схему сверхпроводящего магнита). Достаточно «запустить» в сверхпроводящую обмотку ток, и создаваемое этой обмоткой поле не будет уменьшаться.

Рис. 3. Параметры некоторых сверхпроводников второго рода. (* — для иттрий-бариевой керамики второе критическое поле в силу анизотропии кристаллической решетки зависит от направленности магнитного поля; первая цифра 70 соответствует случаю, когда силовые линии магнитного поля ориентированы параллельно образцу, вторая — когда перпендикулярно.) Для сравнения: в сверхпроводниках 1-го рода сверхпроводимость разрушается при значениях критического поля B_c, в основном не превышающих 0,1 Тл. Рекордсменом является ниобий, у которого B_c = 0,198 Тл

Поскольку, в силу своего химического состава, соединения ReFeAsO относятся к сверхпроводникам второго рода, естественным образом возник вопрос о магнитных свойствах этих материалов. Иными словами, каково значение B_c2 для ReFeAsO? Одними из первых таким вопросом задались физики из Национальной лаборатории высоких магнитных полей США. Они проводили измерения магнетосопротивления (в дальнейшем просто сопротивления) образца LaFeAsO_0.89F_0.11 (Т_с = 26 К) размером 3 × 1 × 0,5 мм в присутствии сильного магнитного поля, силовые линии которого были направлены вначале перпендикулярно, а потом вдоль «лицевой» плоскости материала. Для измерений был использован так называемый гибридный магнит (hybrid magnet), способный создавать постоянное до 9 Тл, или переменное (импульсное) поле до 45 Тл. На рис. 4 приведены результаты измерений для различных температур, не превышающих Т_с. Несовпадение графиков справа и слева объясняется анизотропией физических свойств данного материала, что присуще не только ему, но и вообще всем ВТСП.

Рис. 4. Зависимость сопротивления образца от приложенного магнитного поля в диапазоне температур от 4,2 до 25 К. а — силовые линии магнитного поля ориентированы перпендикулярно плоскости образца, b — параллельно. Горизонтальные черные штрихпунктирные линии обозначают отношение сопротивления образца к его сопротивлению в нормальном состоянии. Рис. из обсуждаемой статьи F. Hunte et al.

Проанализировав данные зависимости сопротивления образца от магнитного поля, исследователи построили графики функций B(T) для трех резистивных состояний: когда сопротивление LaFeAsO_0.89F_0.11 составляет 10, 50 и 90% от сопротивления в нормальном состоянии (см. рис. 5).

Рис. 5. а — зависимость магнитного поля В от температуры Т в трех различных резистивных состояниях: сопротивление образца составляет 10% сопротивления в нормальном состоянии (красная пунктирная линия); 50% (синяя линия) и 90% (черная линия). Пустые и заполненные фигуры на графиках означают соответственно ориентацию силовых линий магнитного поля вдоль образца и перпендикулярно ему. b — сравнение экспериментальной и теоретической зависимостей В(Т), рассчитанной в рамках теории Гинзбурга–Ландау для сверхпроводящего состояния. Красная кривая соответствует сопротивлению образца, равному 10% от нормального сопротивления, черная — 90%. Черные квадраты, соответствующие полю выше 45 Тл, посчитаны с помощью экстраполяции. Рис. из обсуждаемой статьи F. Hunte et al.

Из графиков легко заметить, что второе критическое поле как минимум должно превосходить 60 Тл.

Практически одновременно аналогичные измерения были проведены группой ученых из Австралии и Ирана для другого соединения из класса ReFeAsO — NdFeAsO_0.82F_0.18 (Т_с = 51 К). Правда, в их распоряжении был магнит, способный генерировать магнитное поле не более 13 Тл, а измерения B_c2 проводились, когда силовые линии были направлены только вдоль исследуемого образца. Тем не менее удалось установить, что второе критическое поле для сверхпроводника NdFeAsO_0.82F_0.18 должно составлять уже около 300 Тл (рис. 6)!

Рис. 6. Сравнение экспериментальных (эллипсы) и теоретических (сплошные линии) зависимостей магнитного поля В от температуры Т для четырех различных резистивных состояний: когда сопротивление образца составляет 10% от сопротивления в нормальном состоянии (синяя линия), 50% (красная), 90% (лиловая) и 99% (черная; очень близко к значению В_с2). Теоретические кривые были рассчитаны в рамках теории Гинзбурга–Ландау. Рис. из обсуждаемой статьи X. L. Wang et al.

Насколько же перспективно использование данного класса ВТСП для создания магнитов с постоянным полем? В настоящее время наибольшее значение магнитной индукции, которое создает сверхпроводящий магнит, составляет приблизительно 26 Тл. Как видим, благодаря арсенид-железным сверхпроводникам есть возможность создавать поля как минимум в два (если речь идет о LaFeAsO_0.89F_0.11), а то и в 10 раз (в случае NdFeAsO_0.82F_0.18) сильнее ныне существующих. Поля такой величины на данный момент создаются лишь в импульсном режиме в течение небольшого промежутка времени — порядка микросекунды, а то и меньше. Возможное создание на основе этих ВТСП постоянных магнитов с такими значениями магнитной индукции несомненно найдет применение в разнообразных научных исследованиях, например в ускорителях заряженных частиц, в моделировании процессов внутри звезд, в процессах магнитного охлаждения и т. д.

Однако остается открытым вопрос о механической устойчивости магнитов, генерирующих поля с такими гигантскими значениями индукции. Сильные магнитные поля способны запросто деформировать конструкцию магнита. Происхождение этого эффекта связано с действием так называемой силы Ампера — силы, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Зависимость давления магнитного поля (см. Magnetic pressure) от его «силы» (индукции В) является квадратичной: например, если при В = 1 Тл создается давление 4 атмосферы, то увеличение магнитного поля в 100 раз увеличит давление до 40 тыс. атмосфер. Неизвестно, сможет ли выдержать такую нагрузку конструкция со сверхпроводящим магнитом. В любом случае, последнее слово останется за технологами. Удастся ли им создать такие постоянные магниты, покажет время.

Источники:
1) F. Hunte, J. Jaroszynski, A. Gurevich, D. C. Larbalestier, R. Jin, A. S. Sefat, M. A. McGuire, B. C. Sales, D. K. Christen, D. Mandrus. Two-band superconductivity in LaFeAsO_0.89F_0.11 at very high magnetic fields // Nature. Published online 28 May 2008 (doi:10.1038/nature07058). Полный текст доступен также в архиве е-принтов: arXiv:0804.0485.
2) X. L. Wang, R. Ghorbani, G. Peleckis, S. X. Dou. Very high critical field and superior J_c-field performance in NdO_0.82F_0.18FeAs with T_c of 51 K // arXiv:0806.0063 (31 May 2008).

Юрий Ерин