«Наносистемы» большинство представляет так: это такая система (вроде черного ящика-гомеостата), в которую въезжают двадцать вагонов бабла, а выезжает (дивным образом) один Онотоле Борисыч Чубайс, лично, с тонкой пластиковой карточкой в лопатнике. И какгбе торжествуэ. Образ, кстати, недалек от истины. Расскажу, как это делается на Чепецком мехзаводе.
Жесткие сверхпроводники
Сверхпроводники II рода, имеющие структурные неоднородности (дефекты решетки, примеси), называют «жесткими» сверхпроводниками. Часто «жесткие» сверхпроводники II рода выделяют в самостоятельный класс — сверхпроводники III рода. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления, например при пластическом деформировании, протяжке и т. д. К «жестким» сверхпроводникам относится большая группа сплавов на основе ниобия и ванадия. Например, такие сплавы, как Nb-Ti, V-Ga, Nb-Ge.Тонкие пленки из сверхпроводниковых металлов Al, Bi, Nb также являются «жесткими» сверхпроводниками. В жестких сверхпроводниках движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис. По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Нк2 полей при любой ориентации тока и магнитного поля. Следует отметить, что в идеальном сверхпроводнике, полностью лишенном дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длительного отжига (см. ОТЖИГ) сплава), при любой ориентации поля и тока, за исключением продольной, сколь угодно малый ток будет сопровождаться потерями на движение магнитного потока уже при Н > Нк1. Нижнее критическое поле Нк1 обычно во много раз меньше Нк2. Поэтому именно жесткие сверхпроводники, у которых электрическое сопротивление практически равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технических приложений.
Их применяют для изготовления обмоток магнитов сверхпроводящих и других целей. Существенным недостатком жёстких сверхпроводников является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям типа V2Ga, Nb3Sn и др.
И это, собственно, есть готовый стренд: 14 тысяч волокон в единой оплетке, каждое толщиной в несколько нанометров, а вместе – сильнее плазмы.
Суммарно весь процесс, от стадии болванки, занимает 9 месяцев: в 20-километровом стренде не должно быть ни единого разрыва (с) ни в одном волокне. Не буду муссировать напрашивающуюся аналогию со сроком от рождения до зачатия, не стану всуе поминать и рыжего главного нанотехнолога (разве что цвет похож), но скажу – впечатляет беспесды.
Так, в образцах, синтезированных в лаборатории сверхпроводимости ФИАН, значения верхнего критического поля приближаются к 100 Т, температура перехода достигает 21 К, а критическая плотность тока при низких температурах (порядка 4,2 К) в магнитном поле 10 Т превышает 106 А/см2, превосходя таким образом плотности тока в купратных сверхпроводниках, по-прежнему доминирующих в сфере ВТСП.
Сверхпроводники научили создавать ток из тепла
Схема предложенного устройства
Изображение: S. Kolenda et al. / arXiv.org, 2016
Физики из Технологического Института в Карлсруэ экспериментально добились возникновения сильного термоэлектрического эффекта в контакте сверхпроводник-ферромагнетик. Это явление, родственное эффекту возникновения термоэлектричества в полупроводниках, оказалось по силе на порядки сильнее, чем в обычных металлах и может найти применение в создании сверхточных термометров. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters(препринт), кратко о нем сообщает Physics.
Классический эффект Зеебека связан с асимметрией в свойствах электронов и дырок в твердом теле. Он возникает, если взять два различных материала и соединить их в электрическую цепь, поддерживая при этом разницу температур в местах скрепления. Эта асимметрия приводит к тому, что энергия электронов в разных точках цепи оказывается различной, в результате чего возникает электрический ток.
В сверхпроводниках такой асимметрии не наблюдается — поэтому авторы создали ее искусственно, следуя теоретической работе,опубликованной в 2014 году. Для этого физики создали многослойный контакт, состоящий из полоски сверхпроводящего алюминия, поверхность которого была покрыта тонкой пленкой непроводящей окиси, полоски железа и медного контакта поверх них. Всю конструкцию авторы поместили в сильное магнитное поле с индукцией в 0,5-1 тесла и охладили до 50 милликельвинов.
Фотография устройства для измерения термоэлектрического эффекта. Оранжевая полоска — железо, голубая — алюминий, серая — медь.
Изображение: S. Kolenda et al. / arXiv.org, 2016
Первый из контактов в системе — туннельный, частицы могут проникать сквозь него лишь посредством квантового эффекта — туннелирования. При этом, природа контакта (сверхпроводник-ферромагнетик) создает условия, в которых ток, протекающий через него, зависит от спина частиц. Внешнее магнитное поле в системе вызывает спиновую поляризацию — преимущественное направление спина частиц в материалах, что и приводит к нарушению симметрии электронов и дырок. Ферромагнитный контакт — железная полоска — играл также роль нагревательного элемента, к нему отдельно подводился ток, позволявший измерить термоэлектрический эффект при разных температурах.
На основе данных эксперимента авторы смогли вычислить коэффициент Зеебека — величину изменения разности потенциалов в цепи соответствующую изменению температуры на один кельвин. Она оказалась равной 100 микровольтам на кельвин. Характерные величины термоэлектрического эффекта для классического контакта двух металлов составляют единицы микровольт на кельвин, достигая 25 микровольт для контакта нихром-платина. Авторы отмечают, что при больших полях значение коэффициента может достигать и единиц милливольт на кельвин.
Физики предполагают, что продемонстрированный эффект можно использовать в сверхточных термометрах, работающих вблизи абсолютного нуля. Кроме того, можно воспользоваться и обратным возникновению термоэлектричества эффектом — эффектом Пельтье — и очень точно контролировать температуру в каком-либо микрообразце.
Ранее ученые уже предлагали схему температурного сенсора на основе туннельного контакта проводник-изолятор-сверхпроводник. Устройство основано на изменении вольт-амперной характеристики туннельного тока в зависимости от температуры.
Владимир Королёв