Mühazirə 1.1.3. Superkeçiricilər və kriokeçiricilər

Superkeçirici vəziyyətə keçə bilən 27 saf metal və mindən çox müxtəlif ərintilər və birləşmələr var. Bunlara təmiz metallar, ərintilər, intermetal birləşmələr və bəzi dielektrik materiallar daxildir.

Temperatur azaldıqca metalların elektrik müqaviməti azalır və çox aşağı (kriogen) temperaturlarda metalların elektrik keçiriciliyi mütləq sıfıra yaxınlaşır.

1911-ci ildə donmuş civə halqası 4,2 K temperatura qədər soyuduqda holland alimi Q.Kammerlinq-Onnes həlqənin elektrik müqavimətinin qəfildən ölçülə bilməyən çox kiçik bir dəyərə düşdüyünü aşkar etdi. Elektrik müqavimətinin bu itməsi, yəni. materialda sonsuz keçiriciliyin görünməsinə superkeçiricilik deyilirdi.

Kifayət qədər aşağı temperaturda soyuduqda superkeçirici vəziyyətə keçmək qabiliyyətinə malik olan materiallara superkeçiricilər deyilir. Maddənin superkeçirici vəziyyətə keçidinin baş verdiyi kritik soyutma temperaturu superkeçirici keçid temperaturu və ya kritik keçid temperaturu Tcr adlanır.

Superkeçirici vəziyyətə keçid geri çevrilir. Temperatur Tc-ə yüksəldikdə, material normal (keçirici olmayan) vəziyyətinə qayıdır.

Superkeçiricilərin özəlliyi ondan ibarətdir ki, superkeçirici dövrədə elektrik cərəyanı induksiya edildikdən sonra o, gücündə nəzərəçarpacaq dərəcədə azalma olmadan və üstəlik kənardan heç bir əlavə enerji təchizatı olmadan bu dövrə boyu uzun müddət (illər) dövr edəcək. . Daimi bir maqnit kimi, belə bir dövrə ətrafdakı məkanda bir maqnit sahəsi yaradır.

1933-cü ildə alman fizikləri V. Meysner və R. Oxsenfeld kəşf etdilər ki, superkeçiricilər superkeçirici vəziyyətə keçərək ideal diamaqnitlərə çevrilirlər. Buna görə də, xarici maqnit sahəsi superkeçirici bədənə nüfuz etmir. Əgər materialın superkeçirici vəziyyətə keçməsi maqnit sahəsində baş verirsə, o zaman sahə superkeçiricidən “çıxarılır”.

Məlum superkeçiricilər çox aşağı kritik keçid temperaturlarına malikdir Tk. Buna görə də, superkeçiricilərdən istifadə edən qurğular maye heliumun soyudulması şəraitində işləməlidir (normal təzyiqdə heliumun mayeləşmə temperaturu təxminən 4,2 K-dir). Bu, superkeçirici materialların istehsalını və istismarını çətinləşdirir və maya dəyərini artırır.

Civə ilə yanaşı, superkeçiricilik digər təmiz metallara (kimyəvi elementlər) və müxtəlif ərintilərə və kimyəvi birləşmələrə də xasdır. Bununla belə, gümüş və mis kimi metallar hal-hazırda əldə edilən ən aşağı temperaturlarda superkeçirici vəziyyətə çevrilə bilmədi.

Superkeçiricilik fenomenindən istifadə imkanları Tk superkeçirici vəziyyətə keçid temperaturu və kritik maqnit sahəsinin gücü ilə müəyyən edilir.

Superkeçirici materiallar yumşaq və sərt bölünür. Yumşaq superkeçiricilərə niobium, vanadium və tellur istisna olmaqla, təmiz metallar daxildir. Yumşaq superkeçiricilərin əsas çatışmazlığı kritik maqnit sahəsinin gücünün aşağı qiymətidir.

Elektrik mühəndisliyində yumşaq superkeçiricilər istifadə edilmir, çünki bu materiallardakı superkeçirici vəziyyət aşağı cərəyan sıxlıqlarında zəif maqnit sahələrində artıq yox olur.

Bərk superkeçiricilərə təhrif olunmuş kristal qəfəsləri olan ərintilər daxildir. Nisbətən yüksək cərəyan sıxlığı və güclü maqnit sahələrində belə superkeçiriciliyi saxlayırlar.

Bərk superkeçiricilərin xassələri əsrimizin ortalarında kəşf edilmişdir və bu günə qədər onların tədqiqi və tətbiqi problemi müasir elm və texnikanın ən mühüm problemlərindən biridir.

Bərk superkeçiricilər bir sıra xüsusiyyətlərə malikdir:

· soyutma zamanı superkeçirici vəziyyətə keçid yumşaq superkeçiricilərdə olduğu kimi birdən-birə deyil, müəyyən temperatur intervalında baş verir;

· bəzi bərk superkeçiricilər təkcə Tk kritik keçid temperaturunun nisbətən yüksək qiymətlərinə deyil, həm də Bcr kritik maqnit induksiyasının nisbətən yüksək qiymətlərinə malikdir;

· maqnit induksiyası dəyişdikdə, superkeçirici ilə normal arasında aralıq hallar müşahidə oluna bilər;

· onlardan alternativ cərəyan keçdikdə enerjini dağıtmağa meyllidirlər;

· superkeçiriciliyin xassələrinin texnoloji istehsal şəraitindən, materialın saflığından və onun kristal quruluşunun mükəmməlliyindən asılılığı.

Texnoloji xüsusiyyətlərinə görə bərk superkeçiricilər aşağıdakı növlərə bölünür:

· nisbətən asanlıqla deformasiya olunan, onlardan naqillər və lentlər hazırlana bilər [niobium, niobium-titan (Nb-Ti) ərintiləri, vanadium-qallium (V-Ga)];

· kövrəkliyə görə çətin deformasiya olunur, ondan toz metallurgiya üsulları ilə istehsal olunur (niobium stannide Nb3Sn kimi intermetal materiallar).

Çox vaxt superkeçirici naqillər elektrik və istiliyi yaxşı keçirən mis və ya digər metaldan "sabitləşdirici" bir örtüklə örtülmüşdür ki, bu da temperatur təsadüfən yüksəldikdə super keçiricinin əsas materialının zədələnməsinin qarşısını almağa imkan verir.

Bəzi hallarda, çoxlu sayda nazik filamentli superkeçiricilərin kütləvi bir mis qabığına və ya digər qeyri-keçirici materiala bağlandığı kompozit superkeçirici naqillər istifadə olunur.

Superkeçirici materialların filmləri xüsusi xüsusiyyətlərə malikdir:

· kritik keçid temperaturu Tcr bəzi hallarda toplu materialların Tcr-ni əhəmiyyətli dərəcədə üstələyir;

· superkeçiricidən keçən məhdudlaşdırıcı cərəyanların böyük dəyərləri;

· superkeçirici vəziyyətə keçidin daha kiçik temperatur diapazonu.

Superkeçiricilər yaratmaq üçün istifadə olunur: yüksək effektivliyə malik kiçik kütləli və ölçülü elektrik maşınları və transformatorlar; yüksək enerji enerjisini uzun məsafələrə ötürmək üçün kabel xətləri; xüsusilə aşağı zəifləmə ilə dalğa ötürücüləri; enerji saxlama cihazları və yaddaş cihazları; elektron mikroskopların maqnit linzaları; çap dövrə induktorları.

Kinolu superkeçiricilər əsasında bir sıra yaddaş qurğuları və avtomatlaşdırma və hesablama texnikasının elementləri yaradılmışdır.

Superkeçiricilərdən hazırlanmış elektromaqnitlərin sarımları maqnit sahəsinin gücünün maksimum mümkün dəyərlərini əldə etməyə imkan verir.

Superkeçirici materialların müxtəlif tətbiqləri ilə bağlı məsələlər superkeçiricilik fenomeninin kəşfindən dərhal sonra müzakirə olunmağa başladı. Kamerlinq Onnes həmçinin hesab edirdi ki, superkeçiricilərin köməyi ilə güclü maqnit sahələri yaratmaq üçün qənaətcil qurğular yaratmaq mümkündür. Bununla belə, superkeçiricilərin real istifadəsi 20-ci əsrin 50-ci və 60-cı illərinin əvvəllərində başlamışdır. Hazırda müxtəlif ölçülü və formalı superkeçirici maqnitlər istifadə olunur. Onların istifadəsi sırf elmi tədqiqat çərçivəsindən kənara çıxdı və bu gün onlar laboratoriya praktikasında, sürətləndirici texnologiyada, tomoqraflarda və idarə olunan termonüvə reaksiyaları üçün qurğularda geniş istifadə olunur. Superkeçiriciliyin köməyi ilə bir çox ölçü alətlərinin həssaslığını xeyli artırmaq mümkün olmuşdur. Belə qurğular adlanır kalamar(ingilis dilindən Superkeçirici Kvant Müdaxilə Qurğuları). SQUID-lərin texnologiyaya, o cümlədən müasir tibbə tətbiqinə xüsusi diqqət yetirilməlidir.

Superkeçiricilər hazırda güclü maqnit sahələrinin yaradılması sahəsində ən çox istifadə olunur. Müasir sənaye II tip superkeçiricilərdən müxtəlif naqillər və kabellər istehsal edir ki, bunlar da dəmir maqnitlərdən istifadə ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə daha güclü sahələr (20 Tesla-dan çox) yaradan superkeçirici maqnitlərin sarımlarını hazırlamaq üçün istifadə olunur.

Superkeçirici maqnitlər də daha qənaətcildir. Beləliklə, məsələn, daxili diametri 4 sm və uzunluğu 10 sm olan bir mis solenoiddə 100 kG sahəni saxlamaq üçün ən azı 5100 kVt elektrik enerjisi tələb olunur ki, bu da suyun soyudulması ilə tamamilə aradan qaldırılmalıdır. maqnit. Bu o deməkdir ki, dəqiqədə ən azı 1 m 3 su maqnit vasitəsilə vurulmalı və sonra daha da soyudulmalıdır. Superkeçirici versiyada belə bir maqnit sahəsi həcmi olduqca sadə şəkildə yaradılır, sarımları soyutmaq üçün sadəcə bir helium kriostatı qurmaq lazımdır, bu sadə texniki işdir.

Superkeçirici maqnitlərin digər üstünlüyü ondan ibarətdir ki, onlar qısaqapanma rejimində işləyə bilirlər, burada sahə həcmdə “donmuş” və faktiki olaraq zamandan asılı olmayan sahə sabitliyini təmin edir. Bu xassə nüvə maqnit və elektron paramaqnit rezonans üsullarından istifadə edərək maddələrin öyrənilməsində, tomoqraflarda və s.

Superkeçiricilərin başqa bir tətbiqi sürtünmə olmadan rulmanların və dayaqların yaradılmasıdır. Əgər superkeçirici kürə cərəyanı olan metal halqanın üstündə yerləşdirilirsə, onda Meissner effektinə görə onun səthində ifratkeçirici cərəyan induksiya edilir ki, bu da üzüklə kürə arasında itələyici qüvvələrin yaranmasına səbəb olur və kürə kürədən yuxarıda asa bilər. üzük.

Bənzər bir təsir, superkeçirici halqanın üstündə daimi bir maqnit yerləşdirildikdə müşahidə edilə bilər. Bu, məsələn, yeni nəqliyyat növlərinin yaradılması üçün əsas ola bilər. Söhbət yol yolunda sürtünmə səbəbindən tamamilə itkilərin olmayacağı maqnit levitasiya qatarının yaradılmasından gedir. Belə bir superkeçirici yolun 400 m uzunluğunda modeli hələ 1970-ci illərdə Yaponiyada tikilmişdir. Hesablamalar göstərir ki, maqnit levitasiya qatarı 500 km/saat sürətə çata biləcək. Belə bir qatar relslərin üstündən 2-3 sm məsafədə "qalxacaq" ki, bu da ona göstərilən sürətlərə sürətlənməyə imkan verəcəkdir.

Hal-hazırda, keyfiyyət amili çata bilən superkeçirici boşluq rezonatorları geniş istifadə olunur. Bir tərəfdən, bu cür cihazlar yüksək tezlikli seçicilik əldə etməyə imkan verir. Digər tərəfdən, superkeçirici rezonatorlar superkeçirici sürətləndiricilərdə geniş istifadə olunur, bu da sürətləndirici elektrik sahəsi yaratmaq üçün tələb olunan gücü əhəmiyyətli dərəcədə azaltmağa imkan verir.

Superkeçiriciliyin istifadəsi ultra sürətli elektron kompüterlərin yaradılmasına səbəb ola bilər. Söhbət sözdə kryotronlardan gedir - superkeçirici elementlərin dəyişdirilməsi. Belə qurğular superkeçirici yaddaş elementləri ilə asanlıqla birləşdirilə bilər. Kriyotronların adi yarımkeçirici cihazlardan mühüm üstünlüyü sabit vəziyyətdə enerji tələbatının olmamasıdır. Josephson qovşaqlarının yaradılmasından sonra kriotronları onlarla əvəz etmək təklif edildi və belə bir sistemin keçid müddəti təxminən 10 -12 s olduğu ortaya çıxdı. Məhz bu, güclü kompüterlərin yaradılması üçün geniş perspektivlər açır, lakin hələlik bu inkişaflar yalnız laboratoriya nümunələridir.

Krioenergetika və krioelektronika yüksək temperaturlu superkeçiricilərin geniş istifadəsi üçün ən perspektivli sahələr hesab olunur. Cryoenergetics artıq vismut HTSC materialları əsasında kifayət qədər uzun (bir neçə kilometrə qədər) naqillərin və kabellərin istehsalı üçün bir üsul işləyib hazırlamışdır. Bu, artıq superkeçirici sarğıları olan kiçik mühərriklərin, superkeçirici transformatorların, induktorların və s. istehsalı üçün kifayətdir.Bu materiallar əsasında maye azot temperaturunda (77 K) 10.000 Qauss sifarişli maqnit sahələrini təmin edən superkeçirici solenoidlər yaradılmışdır.

Krioelektronikada, xüsusiyyətlərinə görə praktik olaraq helium analoqlarından aşağı olmayan film SQUID-lərin istehsalı üçün bir texnika hazırlanmışdır. HTSC-dən mükəmməl maqnit ekranlarının alınması, xüsusən də biomaqnit sahələrinin öyrənilməsi üçün texnika mənimsənilib. HTSC-dən antenalar, ötürmə xətləri, rezonatorlar, filtrlər, tezlik mikserləri və s.

Texnoloji və tətbiqi tədqiqatların sürəti çox yüksəkdir, ona görə də metal-oksid birləşmələrində fövqəlkeçiriciliyin təbiəti etibarlı şəkildə aydınlaşdırılana qədər sənayenin yüksək temperaturlu superkeçiricilərdən məhsulların istehsalını mənimsəməsi mümkündür.

Nəzarət sualları

1. Elektrik sahəsi olmadıqda keçiricidə elektron qazın tarazlıq vəziyyəti necədir?

2. Xarici sahənin təsiri altında elektronların sürüşməsi mexanizmini izah edin.

3. Yarımkeçiricilərdə yükdaşıyıcıların hərəkətliliyini hansı əlaqələr müəyyən edir? Hərəkətin miqdarını hansı amillər müəyyənləşdirir?

4. Metalların elektrik keçiriciliyi σ n nə ilə müəyyən edilir?

5. Metalların elektrik müqaviməti nədən yaranır? Onun temperaturdan asılılığı nədir?

6. Wiedemann-Franz qanunu nə deyir?

7. Əgər reallıqda keçiricilikdə yalnız Fermi elektronları iştirak edirsə, keçiricilərin elektrik keçiriciliyi hesablanarkən nə üçün yük daşıyıcılarının ümumi konsentrasiyası nəzərə alınır?

8. Qrafik təqdim edin və müxtəlif qatqılı yarımkeçiricinin keçiriciliyinin temperaturdan asılılığını izah edin.

9. Superkeçirici vəziyyətin əsas xassələrini göstərin

10. BCS nəzəriyyəsindən istifadə edərək fövqəladə keçiricilik mexanizminin keyfiyyətcə təsvirini verin.

11. Superkeçiriciliyin tətbiq sahələrini təsvir edin.

Superkeçiricilik fenomeni güclü maqnit sahələri yaratmaq üçün istifadə olunur, çünki güclü cərəyanlar superkeçiricidən keçərkən güclü maqnit sahələri yaradan zaman istilik itkisi olmur. Bununla belə, maqnit sahəsinin sözdə superkeçiricilik vəziyyətini məhv etdiyinə görə II tip superkeçiricilər, burada fövqəlkeçiriciliyin və maqnit sahəsinin birgə mövcudluğu mümkündür. Belə superkeçiricilərdə bir maqnit sahəsi nümunəyə nüfuz edən normal metalın nazik saplarının görünüşünə səbəb olur, hər biri maqnit axını kvantını daşıyır. İplər arasındakı maddə super keçirici olaraq qalır. II tip superkeçiricilərdə tam Meissner effekti olmadığı üçün superkeçiricilik H c2 maqnit sahəsinin daha yüksək qiymətlərinə qədər mövcuddur.

Superkeçiriciliyin ilk sənaye tətbiqi yüksək kritik sahələrə malik superkeçirici maqnitlərin yaradılması idi.

Superkeçiriciliyin növbəti praktik tətbiqi həssas elektron cihazların texnologiyasına aiddir. Josephson kontaktı olan cihazların eksperimental nümunələri 10-15 Vt gərginlikləri aşkar edə bilər. Superkeçiricilik üsulları və xüsusilə Josephson kontaktları metrologiyaya artan təsir göstərir. Josephson kontaktlarından istifadə edərək 1 V standartı yaradılmışdır.Kriogen bölgə üçün ilkin termometr də hazırlanmışdır ki, burada istinad (sabit) temperatur nöqtələrini əldə etmək üçün müəyyən maddələrdə kəskin keçidlərdən istifadə olunur. Yeni texnika cari komparatorlarda, RF gücünün və udma əmsalının ölçülməsində və tezlik ölçmələrində istifadə olunur. O, həmçinin atom hissəciklərinin fraksiya yüklərinin ölçülməsi və nisbilik nəzəriyyəsinin sınaqdan keçirilməsi kimi fundamental tədqiqatlarda istifadə olunur.

Superkeçiricilik kompüter texnologiyasında geniş istifadə olunacaq. Burada, superkeçirici elementlər çox sürətli keçid vaxtlarını, nazik təbəqə elementlərindən istifadə edərkən cüzi güc itkilərini və yüksək həcmli dövrə qablaşdırma sıxlığını təmin edə bilər. Yüzlərlə məntiq və yaddaş elementləri olan sxemlərdə nazik təbəqəli Josephson kontaktlarının prototipləri hazırlanır.

Superkeçiriciliyin ən maraqlı potensial sənaye tətbiqləri elektrik enerjisinin istehsalı, ötürülməsi və istifadəsini əhatə edir. Superkeçiricilərin digər mümkün tətbiqi güclü cərəyan generatorlarında və kiçik elektrik mühərriklərindədir. Superkeçirici materialların sarğıları generatorlarda və elektrik mühərriklərində nəhəng maqnit sahələri yarada bilər ki, bu da onları adi maşınlardan əhəmiyyətli dərəcədə daha güclü edir. Prototiplər çoxdan yaradılmışdır və keramika superkeçiriciləri belə maşınları kifayət qədər qənaətcil edə bilərdi. Elektrik enerjisinin saxlanması, maqnitohidrodinamikada və termonüvə enerjisinin istehsalı üçün superkeçirici maqnitlərdən istifadə imkanları da nəzərdən keçirilir.

Nəzarət sualları:

1. Superkeçiricilik zamanı hansı hadisələr müşahidə olunur?

A. Xüsusi istilik tutumu sıçrayışı.

b. Həcmdə kiçik dəyişiklik.

V. Ultrasəsin udulmasında kəskin azalma.

d) Yuxarıda göstərilənlərin hamısı.

2. Həddindən artıq keçirici vəziyyətdə olan maddə hansı fiziki xassələrə malikdir?

A. Elektrik sahəsini itələmək.

b. Müəyyən bir maddənin yüksək elektrik sahəsinin gücü.

V. Yüksək maqnit keçiriciliyi.

d) Maqnit sahəsini itələməklə, ideal keçiricilik.

3. Superkeçirici dövlət hansı şəraitdə dağılır?

A. Belə böyüklükdə bir cərəyan bir superkeçiricidən keçirildikdə, bu cərəyanın yaratdığı nümunənin səthindəki maqnit sahəsi kritik olana bərabər olur.

b. Kifayət qədər böyüklükdə bir maqnit sahəsinə məruz qaldıqda, yəni. tənqidi.

V. Yuxarıdakıların hamısı.

4. İkinci növ dirijor nədir?

A. Elektrik yükünün bütün həcmi boyunca hərəkət edə bildiyi cisimlər.

b. Onlara yüklərin ötürülməsi kimyəvi çevrilmələrlə müşayiət olunmur.

V. Onlara yüklərin ötürülməsi kimyəvi dəyişikliklərə səbəb olur.

d) Pulsuz ödənişlərin praktiki olaraq olmadığı orqanlar.

5. Yüksək temperaturun fövqəlkeçiriciliyi hadisəsinin tədqiqinin nəticələri hansılardır?

A. 1986-cı ildə superkeçirici vəziyyətə keçid üçün kritik temperatur 100 ° k-dən çox aşağı düşdü.

b. 1986-cı ildə superkeçirici vəziyyətə keçid üçün kritik temperatur 100 ° k-dən çox artdı.

V. 1989-cu ildə superkeçirici vəziyyətə keçid üçün kritik temperatur dəyişmədi.

d) 1989-cu ildə superkeçirici vəziyyətə keçid üçün kritik temperatur 100° k-dən çox artmışdır.

Superkeçirici qurğular geniş istifadə olunmasa da, adi yarımkeçirici cihazlarda olmayan bəzi unikal xüsusiyyətlərə malikdir. Elektrik siqnallarının gücləndirilməsi, maqnit sahələrinin aşkarlanması və işığın aşkarlanması ilə bağlı yüksək həssaslıq çox qiymətli xüsusiyyətlərdir. Hazırda kompüterlərdə istifadə olunmasa da, yüksək keçid sürəti də mümkündür. Adi superkeçirici qurğular bir neçə dərəcə 0 kelvinə (-273°C) qədər soyudulmalıdır. Baxmayaraq ki, hazırda 90 K və aşağıda istifadə üçün uyğun olan yüksək temperaturlu superkeçiricilərə əsaslanan qurğular üzərində iş gedir. Bu əhəmiyyətlidir, çünki ucuz maye azot soyutma üçün istifadə edilə bilər.

Superkeçiricilik: 1911-ci ildə Heike Onnes civənin superkeçiriciliyini (Hg) kəşf etdi və buna görə Nobel mükafatı aldı. Əksər metalların elektrik müqaviməti temperaturun azalması ilə azalır. Lakin onların əksəriyyəti üçün temperatur 0K-yə yaxınlaşdıqca müqavimət sıfıra enməyəcək. Merkuri unikaldır ki, onun müqaviməti 4,2 kelvində kəskin şəkildə sıfır ohm-a düşür. Superkeçiricilər kritik temperaturdan aşağı soyuduqda bütün müqavimətini qəfil itirirlər, T C. Superkeçiriciliyin fərqli bir xüsusiyyəti keçiricilərdə enerji itkilərinin olmamasıdır. Cərəyan minlərlə il ərzində superkeçirici məftil halqasında axa bilər. Superkeçiricilərə qurğuşun (Pb), alüminium (Al), qalay (Sn) və niobium (Nb) daxildir.

Cooper cütlüyü:İtkisiz superkeçiricilik təkcə elektronların normal axını ilə bağlı deyil. Adi keçiricilərdə elektronların axını metalın sərt ion kristal qəfəsi ilə toqquşma şəklində müqavimətlə qarşılaşır. Temperaturun azalması ilə kristal qəfəs titrəyişlərinin azalması müqavimətin azalmasına səbəb olur (müəyyən bir nöqtəyə qədər). Mütləq sıfırda qəfəs titrəyişləri dayanır, lakin elektronların kristal qəfəslə toqquşması nəticəsində yayılan enerji deyil. Beləliklə, adi keçiricilər mütləq sıfıra bərabər bir temperaturda elektrik müqavimətini tamamilə itirmirlər.

Superkeçiricilərdəki elektronlar, temperatur superkeçiriciliyin baş verdiyi kritik nöqtədən aşağı düşdükdə Kuper cütləri adlanan elektron cütləri əmələ gətirir. Kuper cütü, qoşalaşmamış elektronlarla müqayisədə daha aşağı enerji səviyyəsində olduğu üçün mövcuddur. Atomların titrəmə hərəkətlərinin kvantları olan fononların, kvazirəciklərin mübadiləsi nəticəsində elektronlar bir-birinə cəlb olunur. Bu Kuper cütü, kvant mexaniki varlığı (hissəcik və ya dalğa) fizikanın normal qanunlarına tabe deyil. Bu mahiyyət qəfəs yerlərində yerləşən metal ionları ilə toqquşmadan kristal qəfəs vasitəsilə yayılır. Beləliklə, heç bir enerji sərf etmir. Cooper cütlüyünün kvant mexaniki təbiəti sadəcə olaraq davamlı enerji miqdarına deyil, diskret enerjiyə imkan verir. Cooper cütlüyü üçün mütləq minimum enerji miqdarı anlayışı tətbiq olunur. Kristal qəfəsin titrəmə enerjisi az olarsa (aşağı temperatura görə), Kuper cütü onu qəbul edə bilməyəcək və qəfəs tərəfindən dəf oluna bilməyəcək. Beləliklə, kritik temperaturdan aşağı olan temperaturlarda Kuper cütlərinin axını kristal qəfəsdən maneəsiz keçə bilər.

Josephson qovşağı: Brayan Cozefson 1962-ci ildə Cozefson qovşağının proqnozuna görə Nobel mükafatı aldı. Josephson qovşağı elektronların tunel yarada bildiyi nazik dielektrik körpü ilə (aşağıdakı şəkildə (a) göstərildiyi kimi) bağlanmış bir cüt superkeçiricidir. İlk Josephson qovşaqları dielektrik körpüsü olan aparıcı superkeçiricilər idi. Bu günlərdə alüminium və niobiumun üç qatına üstünlük verilir. Superkeçiricilərə sıfır gərginlik tətbiq edildikdə belə elektronlar dielektrikdən keçə bilir.

Qovşaqda gərginlik tətbiq olunarsa, cərəyanın böyüklüyü azalır və gərginliyə mütənasib tezlikdə elektrik rəqsləri baş verir. Tətbiq olunan gərginlik və tezlik arasındakı əlaqə o qədər dəqiqdir ki, standart volt indi Cozefson qovşağındakı salınım tezliyinə nisbətən müəyyən edilir. Cozefson qovşağı çox aşağı səviyyələrdə maqnit sahələrinin həddindən artıq həssas detektoru kimi də xidmət edə bilər. Mikrodalğalı sobadan qamma şüalarına qədər elektromaqnit şüalanmasına çox həssasdır.

Josephson tranzistoru: Josephson qovşağında oksidə yaxın yerləşən elektrod tutumlu birləşmə vasitəsilə birləşməyə təsir göstərə bilər. Yuxarıdakı (b)-də göstərilən belə bir montaj Josephson tranzistoru adlanır. Josephson tranzistorunun əsas xüsusiyyəti kompüterlər kimi yüksək sıxlıqlı sxemlərdə faydalı olan aşağı enerji sərfiyyatıdır. Bu tranzistor adətən SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) və ya RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) kimi daha mürəkkəb superkeçirici cihazların bir hissəsidir.

SQUID: SQUID (superkeçirici kvant müdaxilə cihazı) superkeçirici halqada Cozefson qovşaqlarının toplusudur. Bu məqalə yalnız DC SQUID-dən bəhs edir. Bu cihaz zəif maqnit sahələrinə çox həssasdır.

Aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, Josephson qovşağı halqasına paralel olaraq DC meyli tətbiq olunur. Tətbiq olunan bir maqnit sahəsi olmadıqda, cərəyan iki qovşaq arasında bərabər bölünür və halqada heç bir gərginlik yaranmır.

Maqnit axınının (Φ) hər hansı bir dəyəri SQUID-ə tətbiq oluna bilsə də, superkeçirici halqadakı bir dəlikdən yalnız kvantlaşdırılmış dəyər (axın kvantının çoxluğu) axa bilər. Tətbiq olunan axın axının kvantının qatı deyilsə, artıq axın halqanın ətrafında dövr edən cərəyanla sönəcək və bu, axın kvantının fraksiya hissəsini yaradacaqdır. Sirkulyasiya edən cərəyan, axının çoxluğundan çox olan hər hansı artıq axını söndürdüyü istiqamətdə axacaq. O, ±(1/2) axın kvantına qədər tətbiq olunan axının dəyərini əlavə edə və ya çıxa bilər. Sirkulyasiya edən cərəyan saat əqrəbi istiqamətində hərəkət edərsə, yuxarı Josephson qovşağında cərəyan artır və aşağı hissədə azalır.

Tətbiq olunan axının xətti dəyişməsi sirkulyasiya cərəyanının sinus dalğası şəklində dəyişməsinə səbəb olur.

Bu, SQUID üzərindəki gərginliyi ölçməklə ölçülə bilər. Tətbiq olunan maqnit sahəsi artdıqca, hər biri axının bir kvant artmasına uyğun gələn gərginlik impulslarını hesablamaq olar.

Superkeçirici kvant müdaxilə cihazı (SQUID): superkeçirici halqada bir cüt Cozefson qovşağı. Flusun dəyişməsi bir cüt Josephson qovşağında gərginlikdə dəyişiklik yaradır.

SQUID-in həssaslığı 10 -14 Tesladır. O, beyindəki neyronlar arasındakı elektrik cərəyanlarından maqnit sahəsini aşkar edə bilir (bu maqnit sahələrinin induksiyası 10 -13 Tesladır). Müqayisə üçün qeyd edək ki, Yerin maqnit sahəsinin induksiyası 30 x 10 -6 T-dir.

Sürətli tək kvant məntiqi (BOKL və ya RSFQ, Rapid Single Flux Quantum): Silikon yarımkeçirici sxemləri təqlid etmək əvəzinə, RSFQ sxemləri yeni konsepsiyalara əsaslanır: superkeçiricidə maqnit axınının kvantlaşdırılması və axın kvantının hərəkəti pikosaniyəlik kvantlaşdırılmış gərginlik impulsunu yaradır. Maqnit axını yalnız superkeçiricidə diskret kvantlaşdırılmış qiymətlər şəklində mövcud ola bilər. Bir az məlumatı təmsil etmək üçün maqnit axını kvantından istifadə olunur. Pulsları dəyişdirmək üçün adi tranzistorlar əvəzinə Josephson qovşaqlarından istifadə olunur. Superkeçirici kritik temperaturu 9,5 K olan və 5 K-yə qədər soyudulmuş üçqat alüminium və niobium qatına əsaslanır.

RSFQ məntiqi az enerji sərfiyyatı ilə 100 GHz-dən yuxarı tezliklərdə işləyir. İstehsal mövcud fotolitoqrafiya texnologiyalarından istifadə etməklə sadələşdirilir. Bununla belə, onun işləməsi üçün 5 Kelvin temperatura qədər soyutma tələb olunur. Real kommersiya tətbiqlərinə A/D və D/A çeviriciləri, T flip-floplar, sürüşmə registrləri, yaddaşlar, toplayıcılar və çarpanlar daxildir.

Yüksək temperaturlu superkeçiricilər:Yüksək temperaturlu superkeçiricilər 77 K olan maye azotun qaynama nöqtəsindən yuxarı temperaturda superkeçirici xassələri nümayiş etdirən birləşmələrdir. Bu, maye azot asanlıqla əldə oluna bildiyi və ucuz olduğu üçün böyük əhəmiyyət kəsb edir. Ən adi superkeçiricilər metallardır; ümumi istifadə edilən yüksək temperaturlu superkeçiricilər kupratlar, misin qarışıq oksidləri (Cu), məsələn, itrium barium mis oksidi, YBa 2 Cu 3 O 7-x, kritik temperatur T C = 90 K. Bu məqalədə təsvir edilən cihazlar, daha az kritik tətbiqlər üçün yüksək temperaturlu superkeçiricilərə əsaslanan versiyalar hazırlanır. Onlar adi metal superkeçiricilərin performansına malik olmasalar da, maye azotun soyudulması daha əlverişlidir.

Ümumiləşdirək:

• Temperatur mütləq sıfıra yaxınlaşdıqca metalların çoxunun müqaviməti azalır; baxmayaraq ki, müqavimət sıfıra enmir. Superkeçiricilərin müqaviməti kritik bir temperatura qədər soyuduqda tez sıfıra enir. Tipik olaraq, kritik temperatur, T C, mütləq sıfırın 10 kelvin daxilindədir.
• Kuper cütü, elektron cütü, kvant mexaniki varlığı, kristal qəfəsdə maneəsiz hərəkət edir.
• Elektronlar bir cüt superkeçirici arasındakı boşluğu izolyasiya edən bir Josen qovşağı vasitəsilə tunel yarada bilər.
• Josephson qovşağına yaxın üçüncü elektrod və ya qapı əlavə edilərsə, Josephson tranzistoru əmələ gəlir.
• SQUID (superkeçirici kvant müdaxilə cihazı) yüksək həssas maqnit sahəsi detektorudur. Superkeçirici halqanın içərisində maqnit sahəsinin kvant vahidlərini hesablayır.
• RSFQ (sürətli tək kvant məntiqi) superkeçirici dövrədə mövcud olan maqnit kvantlarının dəyişdirilməsinə əsaslanan yüksək sürətli keçid cihazıdır.
• Maye azotun qaynama nöqtəsindən yuxarı kritik temperatur T C olan yüksək temperaturlu superkeçiricilər də bu məqalədə təsvir edilən superkeçirici cihazları yaratmaq üçün istifadə edilə bilər.

Superkeçiricilik fenomenindən istifadə texnologiyada geniş imkanlar açır. Superkeçirici materiallardan hazırlanmış sarımları olan solenoidlər şəklində güclü sabit maqnit sahələrinin mənbələri geniş istifadə olunur. Elektrik xətləri və bir çox digər elektrik qurğuları üçün superkeçiricilərdən istifadə etmək üçün işlər aparılır.

Superkeçirici vəziyyətə keçə bilən bütün elementlərdən niobium ən yüksək kritik keçid temperaturuna malikdir - 9,17 K (-263,83 ° C). Tərkibində yüksək niobium olan superkeçirici ərintilər praktik istifadəni tapmışdır: 65BT və 35BT (GOST 10994-74). Ərinti 65BT 22-26% Ti ehtiva edir; 63-68% Nb; 8,5-11,5% Zr və 9,7 K (-263,3 C) kritik keçid temperaturuna malikdir. T = 4,2 K üçün cərəyan sıxlığının kritik dəyərləri 2,8·106 A/m2, maqnit sahəsinin gücü (6-7,2)·106 A/m-dir. 60-64% Ti tərkibli 35BT ərintisindən hazırlanmış məftil; 33,5-36,5% Nb; Artan kövrəkliyə görə, 1,7-4,3% Zr mis matrisə tökülür.

Hər iki ərinti güclü generatorların, yüksək güclü maqnitlərin (məsələn, maqnit levitasiya qatarlarının) və tunel diodlarının (kompüterlər üçün) sarımları üçün istifadə olunur.

Diamaqnit olan superkeçiricilərin bir maqnit sahəsini itələmək qabiliyyəti, nəhəng intensivlikli maqnit sahələrini yaratmağa imkan verən maqnit nasoslarında, eləcə də kriogen giroskoplarda istifadə olunur. Superkeçiricidən hazırlanmış giroskop armaturası maqnit sahəsində “üzər”. Dəstəklərin və rulmanların olmaması sürtünməni aradan qaldırır və giroskopun davamlılığını artırır.

Yüksək temperaturda superkeçiriciliyin əldə edilməsində mühüm irəliləyiş əldə edilmişdir. Metal keramika əsasında, məsələn, YBa2 Cu3 Ox tərkibi, temperaturu olan maddələr əldə edilmişdir. Tc superkeçirici vəziyyətə keçid 77 K-dən çox (azotun mayeləşmə temperaturu).

Superkeçiricilik fenomeni güclü maqnit sahələri yaratmaq üçün istifadə olunur, çünki güclü cərəyanlar superkeçiricidən keçərkən güclü maqnit sahələri yaradan zaman istilik itkisi olmur. Bununla belə, maqnit sahəsinin superkeçiricilik vəziyyətini məhv etdiyinə görə, güclü maqnit sahələri əldə etmək üçün sözdə maqnit sahələri istifadə olunur. Superkeçiricilik və maqnit sahəsinin birlikdə mövcud olduğu II tip superkeçiricilər. Belə superkeçiricilərdə bir maqnit sahəsi nümunəyə nüfuz edən normal metalın nazik saplarının görünüşünə səbəb olur, hər biri maqnit axını kvantını daşıyır. İplər arasındakı maddə super keçirici olaraq qalır.

Superkeçiricilərə əsaslanan foton detektorları var. Bəziləri kritik cərəyanın mövcudluğundan istifadə edir, onlar həm də Josephson effektindən, Andreev əksindən və s. istifadə edirlər. Beləliklə, İQ diapazonunda tək fotonları qeyd etmək üçün superkeçirici bir fotonlu detektorlar (SSPD) mövcuddur ki, bu da detektorlara nisbətən bir sıra üstünlüklərə malikdir. digər qeydiyyat metodlarından istifadə etməklə oxşar diapazonda (PMT-lər və s.).

Ən kiçik superkeçirici 2010-cu ildə üzvi superkeçirici (BETS)2 GaCl4 əsasında yaradılmışdır, burada BETS abbreviaturası bisetilen ditiotetraselenafulvalen deməkdir. Yaradılan superkeçirici, ümumi nümunə uzunluğu təxminən 3,76 nm olan bu maddənin yalnız dörd cüt molekulundan ibarətdir.

Oxşar məqalələr