Оксид иттрия-бария-меди и магнитная левитация

На картинке изображена левитация постоянного магнита из неодима над охлажденным до сверхпроводящего состояния высокотемпературным сверхпроводником — оксидом иттрия-бария-меди. Этот эксперимент иллюстрирует эффект Мейснера — полное вытеснение магнитного поля из объема проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Хотя эффект Мейснера впервые был обнаружен еще в 1933 году, наглядная его демонстрация без сложной аппаратуры стала возможной с начала 1990-х годов, после того, как в 1987 году был получен первый высокотемпературный сверхпроводящий материал — оксид иттрия-бария-меди (YBCO), который можно охладить до сверхпроводящего состояния с помощью сравнительно дешевого жидкого азота.

Суть эксперимента в следующем. Постоянный магнит (их обычно изготавливают из неодима и его сплавов) помещают на плоский сверхпроводниковый материал, охлаждают его до перехода в сверхпроводящее состояние и наблюдают его «парение». Магнит может подняться над сверхпроводящей поверхностью на высоту от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Левитацию вызывает то, что в результате эффекта Мейснера постоянный магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «видит» магнит одноименной полярности и точно такого же размера. Когда сверхпроводник прогревается до температуры, при которой сверхпроводимость пропадает, левитация прекращается.

Температура перехода к сверхпроводимости (см. Критическая температура сверхпроводника) YBCO выше температуры кипения жидкого азота. При нормальном атмосферном давлении азот кипит при −196°С, а критическая температура YBCO составляет −180°С. Первый сверхпроводник YBCO был получен в Университете Алабамы в группе Мо-Куена Ву (Maw-Kuen Wu). Он имеет формулу YBa₂Cu₃O_7−x и обозначается по соотношению иттрия, бария и меди как Y123. Знак «х» в формуле появляется из-за того, что YBCO относится к бертоллидам — веществам с переменным составом, — поэтому содержание кислорода в нем может варьироваться. Существуют и другие сверхпроводящие оксиды иттрия-бария-меди с другим соотношением металлов — YBa₂Cu₄O_y (обозначение Y124) или Y₂Ba₄Cu₇O_y (обозначение Y247).

Кристаллическая решетка Y123. Рисунок с сайта chemtube3d.com

Впервые Y123 был получен нагреванием смеси карбонатов соответствующих металлов в присутствии кислорода при температурах между 720 и 1000°С:

4BaCO₃ + Y₂(CO₃)₃ + 6CuCO₃ + (1/2−x) O₂ → 2YBa₂Cu₃O_7−x + 13CO₂.

Современные методы синтеза оксида иттрия-бария-меди основаны на спекании порошков нитратов и оксидов соответствующих металлов.

Электрические свойства YBa₂Cu₃O_7−x зависят от содержания кислорода, то есть от числа «х» в формуле. Сверхпроводимость наблюдается только для материалов, в которых 0 ≤ x ≤ 0,65, а наиболее высокая температура перехода в сверхпроводящее состояние (−178°С) наблюдается при x ~ 0,07.

Помимо содержания кислорода, свойства оксида иттрия-бария-меди зависят от методов, выбранных для его кристаллизации. Критическая температура этого материала очень чувствительна ко взаимному расположению кристаллических зерен YBCO в изготавливаемой из него керамике, и температура перехода в сверхпроводящее состояние тем выше, чем регулярнее и правильнее ориентированы эти зерна друг относительно друга. Для получения материала с регулярным строением необходимо тщательно соблюдать температурный режим получения сверхпроводника, включая скорость подъема температуры при его обжиге.

Разработаны также методы синтеза YBCO с помощью химического осаждения паров, аэрозольных методов и химического осаждения из раствора. Однако с помощью этих методов получают только кристаллические зерна оксида иттрия-бария-меди, и для получения из них полноценных деталей, как, например, диск на картинке, эти зерна всё равно необходимо спекать, тщательно контролируя их взаимную ориентацию. Хотя, в отличие от метода Мо-Куена Ву, сейчас для получения правильной сверхпроводящей фазы YBCO температура обработки не превышает 700°C.

Сверхпроводящие элементы из YBCO используются не только для демонстрации эффекта Мейснера и магнитной левитации, но и, например, в ЯМР-спектрометрах, ускорителях частиц, реле на электростанциях.

Фото с сайта sciencedemonstrations.fas.harvard.edu.

Аркадий Курамшин