Куперовские пары и Бозе-конденсат в сверхпроводниках

Куперовская пара — связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов. Обладает нулевым спином и зарядом, равным удвоенному заряду электрона. Впервые подобное состояние было описано Леоном Купером в 1956 году, рассмотревшим лишь упрощенную двухчастичную задачу.

Для простоты рассмотрим простую кубическую кристаллическую решётку с периодом a состоящую из положительно заряженных одновалентных ионов с массой M и электрон, двигающийся со скоростью Ферми V_p вдоль какой-либо оси симметрии (рисунок 1). Более того, будем рассматривать взаимодействие при T=0. Когда электрон пролетает между ближайшими к нему ионами, те, в свою очередь, приобретают импульс в направлении, перпендикулярном движению электрона:

Под действием этого импульса ионы смещаются так, как показано на рисунке 1. При этом кинетическая энергия, которую приобретает ион за время взаимодействия, переходит в потенциальную. Таким образом, за движущимся электроном следует область избыточного положительного заряда, который создаёт отрицательный (притягивающий) потенциал для другого электрона (рисунок 2а). Когда в образовавшуюся потенциальную яму попадает другой электрон, то его потенциальная энергия понижается и между парой электронов возникают силы притяжения. При этом притяжение возникает только тогда, когда электроны движутся в разные стороны (рисунок 2б). Кроме того, для образования куперовской пары спины электронов должны быть противоположными (антипараллельными).

Конденсат Бозе — Эйнште́йна — агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.

Замедление атомов с использованием охлаждающей аппаратуры позволяет получить сингулярное квантовое состояние, известное как конденсат Бозе, или Бозе — Эйнштейна. Результатом усилий Бозе и Эйнштейна стала концепция Бозе газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна, которая описывает статистическое распределение тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. Бозоны, которыми являются, например, и отдельные элементарные частицы — фотоны, и целые атомы, могут находиться друг с другом в одинаковых квантовых состояниях. Эйнштейн предположил, что охлаждение атомов — бозонов до очень низких температур заставит их перейти (или, по-другому, сконденсироваться) в наинизшее возможное квантовое состояние. Результатом такой конденсации станет возникновение новой формы вещества. Получив в свое распоряжение столь интересный физический объект, ученые были вознаграждены за свой труд сполна - они смогли как наблюдать то, что раньше было "сугубо теоретическими абстракциями" (см. новость Экспериментальное наблюдение преобразований Боголюбова, так и создавать новые типы физических устройств, например, "атомные лазеры".

Этот переход возникает ниже критической температуры, которая для однородного трёхмерного газа, состоящего из невзаимодействующих частиц без каких-либо внутренних степеней свободы, определяется формулой:

 

12. ВТСП-кабели
Появление на рынке высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов с высокими токонесущими характеристиками создало принципиально новые возможности для практического использования этого явления. ВТСП – кабели построены на керамических сверхпроводниках и работают при температуре жидкого азота – 90К.

С полной уверенностью можно сказать, что ВТСП-кабели по сравнению с обычными обладают уменьшенными потерями, большей пропускной способностью.
При одинаковой мощности по сравнению с обычным кабелем ВТСП-кабель более компактен и имеет малый вес.

Основные преимущества силовых ВТСП кабелей следующие:

- высокая токовая нагрузка

- малые потери в сверхпроводнике

- экологическая чистота

- высокий уровень пожарной безопасности.

-При передаче большой мощности при относительно низком (10-20 кВ) напряжении не требуется промежуточных подстанций, что дает значительную экономию капитальных затрат и городских земельных ресурсов.

Рассмотрим два типа конструкции ВТСП-кабелей, принципиально отличающихся друг от друга: с холодным и с теплым диэлектриком.

Конструкция ВТСП-кабеля с холодным диэлектриком

В кабеле с холодным диэлектриком (рис. 6) элемент кабеля окружен коаксиальным сверхпроводящим слоем, предназначенным для экранировки магнитного поля. Диэлектрик, «пропитанный» жидким азотом, располагается между токопроводящей жилой (из ВТСП-материала) и внешним экранирующим слоем. Преимуществом такой конструкции является устранение потерь на переменном токе, вызванных воздействием магниитного поля, создаваемого токами в соседних фазах.

В кабелях с теплым диэлектриком (рис. 7) нет сверхпроводящего слоя, предназначенного для экранировки магнитного поля. Данная конструкция требует меньшего расхода СП-материала, применяются обычные изоляционные материалы, поэтому стоимость этих кабелей меньше. Так как кабель с теплым диэлектриком конструктивно сходен с обычным кабелем, то при его изготовлении, монтаже и соеди- нении можно использовать многократно проверенные технологии. Однако ВТСП-кабель с теплым диэлектриком по свойствам уступает кабелю с холодным диэлектриком.

13. Сверхпроводники в кабельной технике.

Одной из основных технологий, позволяющих удовлетворить возрастающие потребности электроэнергетики, является использование явления сверхпроводимости, то есть состояния некоторых материалов, обладающих нулевым сопротивлением при их охлаждении ниже критических температур Тк. Различаются как низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) с максимальной Тк около 20 К (-257 °С), эксплуатируемые при температурах жидкого гелия (-268,95 °C), так и высокотемпературные (ВТСП) с Тк до 138 К (-135 °С), эксплуатируемые вблизи температуры жидкого азота 77,4 К (-195,75 °C).

Положение со сверхпроводниковой технологией радикальным образом изменилось после открытия в конце 80-х годов ВТСП-материалов с более высокими возможными рабочими температурами, вплоть до температуры кипения жидкого азота. Это позволило, наряду с упрощением криогенной техники, создать предпосылки для преодоления коммерческого барьера по отношению к традиционным технологиям при использовании технологий на основе ВТСП-материалов в электроэнергетике и других областях промышленности.

 

16. Сверхпроводниковые токоограничители

В Лаборатории прикладной криогенной техники изготовлены и исследованы макеты быстродействующих токоограничителей с применением высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Токоограничители выполнены по схеме трансформатора с нелинейным ВТСП резистором в качестве нагрузки. Токоограничитель является безынерционным и термически стойким, что позволяет ограничивать как ударные, так и установившиеся токи короткого замыкания. Предполагается
в 2010г. начать разработку первого в России промышленного сверхпроводящего токоограничителя.