Аморфные металлические материалы по праву являются одним из последних достижений XX века в области высокгого материаловедения. В сравнении с кристаллическими аналогами они обладают превосходными магнитными, а также удивительными механическими и химическими характеристиками, которые обусловленны их структурой. Следует отметить, что техпроцесс производства аморфных металлов отличается простотой и состоит из двух основных этапов: выплавки сплава и его разливки в конечную форму. Это обстоятельство позволило аморфным металлическим материалам выйти на рынок и занять свою нишу в промышленном производстве. Термин “аморфный” (от греческого “amorphous” – бесформенный) обозначает некристаллическое состояние твердого вещества, характеризующееся изотропией свойств и отсутствием четко выраженной точки плавления. Переход аморфного вещества в жидкое состояние происходит в определенном температурном интервале.
В аморфном состоянии атомы не расположены в упорядоченной решетке, что обуславливает изотропность макроскопических свойств материала. Однако ближний порядок – структура ближайшего окружения атома в пределах трех первых координационных сфер – сохраняется.
Ближний порядок характерен и для жидкостей, но в отличие от твердых тел, в жидкостях происходит постоянный интенсивный обмен местами соседних атомов. С увеличением вязкости этот обмен затрудняется. Поэтому твердое тело в аморфном состоянии можно рассматривать как переохлажденную жидкость с чрезвычайно высоким коэффициентом вязкости.
В аморфном состоянии твердое тело имеет больший объем и энтропию, поэтому при переходе в кристаллическое состояние вещество уплотняется с выделением значительного количества теплоты. Экспериментально аморфное состояние устанавливают по отсутствию дифракционных максимумов на рентгено-, нейтроно- и электрограммах, которые характерны для кристаллов, обладающих трансляционной периодичностью в расположении атомов. Аморфное состояние силикатных стекол формируется в процессе затвердевания переохлажденного расплава при непрерывном возрастании вязкости, и этот процесс называют стеклованием. По этой причине аморфное состояние, полученное из переохлажденного расплава, также называют стеклообразным.
Аморфная структура твердого тела такова, что ближайшее окружение атома нельзя сопоставить с какой-либо кристаллографической системой. При описании аморфной структуры исходят из модели случайной упаковки жестких сфер, которую первоначально предложил Бернал (1960 г.) для однокомпонентной жидкости. В этой модели структура тела определяется путем минимизации его объема. Для описания двухкомпонентных систем используют стереохимический подход (Гаскелл, 1979 г.), при этом координационные ячейки (нанокластеры) имеют симметрию, аналогичную тем ячейкам, которые реализуются в кристаллической фазе этой же бинарной системы. Предполагается, что эти нанокластеры существовали уже в исходном расплаве и были унаследованы в процессе быстрого охлаждения. Об изменении структуры расплава в процессе нагрева свидетельствует появление гистерезиса физических свойств, если температура расплава превысила некоторое критическое значение [1]. При переходе через критическую температуру расплав становится более однородным, снижается средний размер нанокластеров, что приводит к увеличению вязкости расплава и увеличению максимальной толщины ленты, при которой фиксируется аморфное состояние [2].
Для фиксации твердого состояния переохлажденной жидкости необходима высокая скорость охлаждения. Такая скорость достигается в объектах, имеющих небольшой размер хотя бы в одном направлении: к ним можно отнести порошок, проволоку или ленту. Способность вещества переходить из расплава в аморфное твердое состояние определяет его стеклообразующую способность, которую можно характеризовать максимальной толщиной образца hmax, имеющего аморфную структуру при заданной скорости охлаждения. При этом аморфное состояние получается только при условии превышения некоторой критической скорости охлаждения Rc, которая для сплавов на основе железа, кобальта и никеля составляет 105–106 К/с, что соответствует максимальной толщине ленты примерно 30–40 мкм.
В чистых металлах аморфное состояние трудно достижимо. Растворенные атомы, особенно, если их размер сильно отличается от размера атомов основного компонента, существенно сдерживают диффузию и, следовательно, стабилизируют аморфное состояние. Таким образом, стеклообразующая способность выше в многокомпонентных системах, имеющих более трех элементов. Повышению стеклообразующей способности способствует значительная разница в размерах основных трех химических элементов в сплаве (предпочтительно, чтобы она превышала 12%), а также отрицательная теплота смешивания этих элементов. В качестве независимого параметра стеклообразующей способности используют приведенную температуру стеклования Tg/Tm, где Tg — температура стеклования, Tm — температура плавления. На рис. 1 представлено соотношение между критической скоростью охлаждения расплава Rc, максимальной толщиной образца hmax с аморфной структурой и приведенной температурой стеклования Tg/Tm для разных аморфных сплавов [3]. Металлические сплавы с хорошей стеклообразующей способностью, имеющие критическую скорость охлаждения на уровне силикатного стекла 103 К/с и менее, выделяют в группу объемных аморфных металлических сплавов. Изделия из этих сплавов имеют аморфную структуру в толщине до 100 мм.
Рис. 1. Соотношение между критической скоростью охлаждения расплава Rc, максимальной толщиной образца hmax и отношением температуры стеклования к температуре плавления Tg/ Tm для различных типов аморфных сплавов
Тонкую аморфную металлическую ленту получают методом спиннингования расплава (англ. spinning — вытягивание), который заключается в формировании струи жидкого металла, вытекающего из отверстия в резервуаре, и подачи его на быстро движущуюся охлаждающую поверхность. При столкновении с поверхностью струя жидкого металла образует лужу, которая непрерывно пополняется из резервуара (рис. 2).
Рис. 2. Схематическое изображение устройства для производства аморфной ленты
В свою очередь холодная, быстро движущаяся поверхность непрерывно вытягивает из лужи быстрозакаленную ленту. В настоящее время при производстве аморфной ленты используется метод плоской струи, который, по сути, является усовершенствованным методом спиннингования. Стабильность лужи в этом способе достигается за счет малого зазора между соплом и движущейся поверхностью, около 0,2 мм. Это позволяет существенно снизить различные возмущения в луже расплава и стабилизировать процесс разливки. Вследствие симметрии процесса в методе плоской струи нет ограничений для получения широкой ленты. На современных установках непрерывной разливки производят аморфную ленту шириной до 300 мм.
Аморфные сплавы обладают высокой прочностью по сравнению с кристаллическими материалами. Известно, что прочность кристаллических металлов значительно меньше их теоретически возможных значений, что связано с наличием в реальных кристаллах дислокаций — элементарных носителей пластической деформации. В аморфной структуре фактически нет дислокаций, по крайней мере, в том виде, в котором они вводятся для кристаллической решетки. Это означает, что подвижность дефектов, ответственных за пластическое течение в аморфных сплавах, такова, что их движение возможно лишь при напряжении, близком к теоретическому значению G/30, где G — модуль сдвига. Кроме того, в аморфных сплавах предел текучести δт и предел прочности на разрыв δf практически равны между собой ввиду отсутствия деформационного упрочнения. Модули упругости в аморфных сплавах на 30–50% ниже, чем в кристаллических материалах. Это связано с тем, что вследствие хаотического расположения атомов в аморфном состоянии возрастает свободный объем, а средняя сила взаимодействия между атомами снижается. Увеличение скорости закалки в более тонких лентах приводит к росту свободного объема и снижению модулей упругости.
Наряду с высокой прочностью аморфные сплавы обладают высокой твердостью. При этом важным фактором является химический состав, поскольку твердость увеличивается в ряду металлоидов P, Si, C, B, добавляемых в сплав в качестве аморфизаторов. Твердость связана с модулем упругости и пределом текучести линейными соотношениями. Для аморфных сплавов отношение твердости по Виккер-су HV к пределу текучести δт составляет 2,5–3 (рис. 3), что близко к теоретическому значению 2,9 для идеально пластичных тел, не имеющих деформационного упрочнения [4]. Все сказанное позволяет называть аморфные сплавы высокопрочными материалами.
Рис. 3. Связь твердости HV с пределом текучести σт в аморфных сплавах на основе железа
Аморфные сплавы сочетают в себе высокую прочность и упругость. На рис. 4 приведено сравнение пределов прочности и упругости различных материалов.
Рис. 4. Пределы прочности и упругости различных материалов
Объемные аморфные металлические сплавы, состоящие из большого числа элементов с различным диаметром атомов, например, сплав Витрелой Zr41,2 Be22,5Ti13,8 Cu12,5 Ni10, производятся в промышленном масштабе. Здесь реализуется одно из основных преимуществ быстрозакаленных сплавов, а именно, возможность смешивания различных химических элементов без образования фаз и соединений, что обеспечивает однородность химического состава изделия. Сочетание высоких пределов упругости и прочности позволяет использовать объемные аморфные сплавы для изготовления спортивного инвентаря (например, ракетки для тенниса, клюшки для гольфа, бейсбольные биты), корпусов часов и телефонов [5].
Нагрев аморфных сплавов сопровождается структурными изменениями, связанными с атомными перестройками без диффузии на значительные расстояния. Такая структурная релаксация сопровождается уплотнением аморфной матрицы, обусловленной аннигиляцией избыточного свободного объема и снятием остаточных напряжений. Поэтому в результате нагрева аморфные сплавы постепенно теряют пластичность, то есть происходит их охрупчивание. Этот процесс начинается при температуре 200…300 °С. Температура ох-рупчивания выше в более тонкой ленте, полученной при высокой скорости закалки расплава, и она совпадает с температурным интервалом наиболее интенсивного уплотнения аморфного сплава.
При еще более высокой температуре аморфный сплав кристаллизуется. Фактически в качестве температуры кристаллизации аморфных сплавов принимается значение Тх, соответствующее началу экзотермического пика на кривой зависимости тепловыделения от температуры. Для большинства аморфных сплавов температура кристаллизации составляет (0,4–0,6) Тп температуры плавления и зависит от химического состава сплава. Современные промышленные аморфные сплавы имеют температуру кристаллизации, как правило, более 500 °С. Кристаллизация аморфных сплавов сопровождается существенным изменением большинства физических свойств с выделением теплоты и увеличением плотности материала. Необходимо отметить, что формирование первых кристаллитов начинается при температуре примерно на 100 °С ниже Тx. Часто кристаллизация начинается с поверхности, где выше структурная и химическая неоднородность материала и, следовательно, выше вероятность формирования зародышей кристаллизации.
Как правило, в результате кристаллизации формируются зерна размером 0,1–1 мкм, что приводит к катастрофическому ухудшению магнитных свойств, при этом коэрцитивная сила увеличивается на несколько порядков. Поэтому термическую обработку аморфных сплавов проводят при температуре ниже температуры кристаллизации сплава, так, чтобы сохранить его аморфную структуру. Стимулирование зарождения центров кристаллизации по всему объему аморфной матрицы и сдерживание начала процесса кристаллизации до более высокой температуры позволяет значительно уменьшить размер кристаллитов, до 10 нм. Вследствие ослабления макроскопической магнитной анизотропии в нанокристаллическом материале значительно возрастает магнитная проницаемость [6]. Таким образом, в исходном состоянии нанокристаллические сплавы представляют аморфный прекурсор со специально подобранным химическим составом, в котором после контролируемой термической обработки формируется нанокристаллическая структура.
Магнитомягкие материалы характеризуются низкой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Чтобы добиться таких характеристик, необходимо в первую очередь свести к нулю константу магнитной анизотропии — величину, которая входит в выражение для плотности энергии магнитной анизотропии. В частном случае одноосной магнитной анизотропии плотность магнитной энергии записывается в виде wA=Ksin²θ, где K — константа магнитной анизотропии, а θ — угол между вектором намагниченности и главной осью симметрии. В кристаллических материалах ввиду трансляционной периодичности неизбежно существование естественной кристаллографической магнитной анизотропии. В аморфном состоянии этот тип магнитной анизотропии отсутствует, поэтому аморфные металлические сплавы изначально являются хорошим объектом для получения магнитомягких свойств.
В настоящее время аморфные металлические материалы, а точнее, металлические стекла, полученные из переохлажденного расплава, используются преимущественно в качестве магнитомягких материалов. Практически все производители имеют одинаковый сортамент, который можно рассмотреть на примере аморфных сплавов «ГАММАМЕТ» [7]. В таблице 1 представлены типичные свойства кольцевых магнитопроводов в защитных контейнерах после термической обработки без магнитного поля (в условном обозначении после цифр отсутствует буква), а также после отжига в продольном магнитном поле (условное обозначение с буквой А) и в поперечном магнитном поле (условное обозначение с буквой В). Все аморфные сплавы имеют высокое удельное электрическое сопротивление около 1,3·10–6 Ом·м и температуру кристаллизации 520…540 °С при номинальной толщине ленты 25 мкм. Сплавы на основе железа с первой цифрой 4 в условном обозначении отличаются высокой магнитной индукцией и магнитострикцией насыщения. Кроме того, нанокристаллические сплавы на основе железа (ГМ 414 и ГМ 412) имеют также высокую магнитную проницаемость [8]. Аморфные сплавы на основе кобальта с первой цифрой 5 в условном обозначении имеют близкую к нулю магнитострикцию насыщения, а это дополнительный фактор высокой магнитной проницаемости материала. В таблице приведены магнитные свойства материала, поэтому в электротехнических расчетах коэффициент заполнения магнитопровода принимается равным 0,7.
В таблице 1 магнитопроводы разделены на три группы в соответствии с требованиями к основной магнитной характеристике: высокая начальная магнитная проницаемость, высокая прямоугольность петли магнитного гистерезиса и низкая остаточная магнитная индукция. Для достижения высокой начальной магнитной проницаемости магнитопроводы ГМ 501 и ГМ 414 проходят термическую обработку без магнитного поля. Эффект термомагнитной обработки хорошо проявляется во всех аморфных сплавах, за исключением сплавов с температурой Кюри ниже 200 °С. Так, на рис. 5 представлены петли магнитного гистерезиса сплава ГМ 503 после отжига в продольном и поперечном магнитном поле.
Рис. 5. Петли магнитного гистерезиса аморфного сплава на основе кобальта после термической обработки в продольном (ГМ 503А) и поперечном (ГМ 503В) магнитном поле
Стрелками схематически показаны направления намагниченности в магнитных доменах. Магнитопровод ГМ 503А имеет прямоугольную петлю магнитного гистерезиса, а его перемагничивание происходит вследствие смещения на 180° доменных границ. Петля магнитного гистерезиса магнитопровода ГМ 503В имеет значительный линейный участок с низкой остаточной магнитной индукцией, поскольку перемагничивание такого магнито-провода осуществляется поворотом намагниченности к направлению магнитного поля.
Достаточно высокое для металлов удельное электрическое сопротивление аморфных сплавов (1,3·10–6 Ом·м) и толщина ленты 25 мкм определяют частотную область применения. В силовых устройствах электротехники и электроники аморфные сплавы можно эффективно использовать до частоты 100 кГц, учитывая допустимую температуру перегрева устройства. Если речь идет о маломощных электрических сигналах, то область применения расширяется до 10 МГц. При этом принимается в расчет, что в металлических материалах затухание обусловлено в первую очередь вихревыми токами, которые вызывают более слабое снижение магнитной проницаемости с частотой 1/√f, чем затухание, связанное с колебаниями доменных границ в ферритах, пропорциональное 1/f.
Нанокристаллические сплавы на основе железа ГМ 414 и ГМ 412 сочетают в себе высокую магнитную проницаемость, низкие удельные магнитные потери, низкую магнитострикцию и достаточно высокую магнитную индукцию насыщения. Это наиболее универсальные в магнитном отношении сплавы находят применение в широкой области частот. Аморфный сплав на основе железа ГМ 440 имеет высокую магнитную индукцию насыщения и низкие удельные магнитные потери. Сплав особенно эффективен на частоте 0,05–5 кГц, где полностью реализуется его высокая магнитная индукция без заметного перегрева магнитопровода. Аморфные сплавы на основе кобальта имеют близкую к нулю магнитострикцию насыщения. В промышленности изготавливаются сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью (ГМ 501), с высоким или низким коэффициентом прямоугольности петли магнитного гистерезиса (ГМ 503). В аморфном сплаве ГМ 515В достигается наиболее высокое постоянство магнитной проницаемости в широкой области напряженности магнитного поля до 300 А/м (рис. 6).
Рис. 6. Петля магнитного гистерезиса аморфного сплава на основе кобальта ГМ 515В с высокой магнитной индукцией насыщения после термической обработки в поперечном магнитном поле
Оказалось, что производителям аморфных сплавов экономически целесообразно изготавливать магнитопроводы из этих сплавов, имеющих форму, размеры и свойства, необходимые заказчику, в отличие от выпуска магнитопроводов из электротехнической стали и прецизионных сплавов. Электротехническая сталь поставляется в виде, готовом для использования, и только в случае изготовления витых или небольших плоских позиций у заказчика требуется отжиг для снятия внутренних напряжений. Прецизионные железоникелевые сплавы вообще поставляются без термической обработки. Магнитные свойства этих сплавов формируются в процессе рекристаллизации в защитной среде или вакууме после изготовления изделия заданной формы и размера у заказчика.
Поскольку для получения высокой магнитной проницаемости необходимо обязательно проводить отжиг при температуре 380…480 °С для снятия закалочных напряжений после быстрого охлаждения расплава, а также напряжений после навивки магнитопроводов, то аморфная лента неизбежно теряет пластичность. Однако процесс изготовления магнитопроводов из аморфной ленты организован так, что операции, требующие хорошей пластичности, проводят до отжига. После термической обработки магнитопровод имеет механические свойства, которые достаточны для того, чтобы без повреждений переместить его в защитный контейнер. Защитный контейнер предохраняет магнитопровод от внешних воздействий, а его перемещение внутри контейнера ограничено упругим наполнителем.
Упрочнение магнитопроводов достигается также другими средствами, например, пропиткой неорганическим или органическим клеем. При этом магнитопровод представляет композицию магнитного и немагнитного материала. В зависимости от степени упрочнения магнитопроводы можно использовать без защитного контейнера или для последующей механической обработки, например, резки для создания немагнитных зазоров или пазов. Естественно, что при упрочнении магнитопровода магнитные свойства снижаются. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо приходить к компромиссу между магнитными и механическими свойствами изделия. В таблице 2 приведены магнитные свойства композиционных магнитопроводов «ГАММАМЕТ», которые изготовлены из тех же сплавов, что и соответствующие магнитопроводы в защитных контейнерах (таблица 1). Магнитные свойства в таблице 2 характеризуют композиционный материал, поэтому они отнесены к единице геометрического сечения или единице объема магнитопровода. В электротехнических расчетах коэффициент заполнения композиционного магнитопровода принимается равным 1.
Современные технологии позволяют изготавливать магнитопроводы из аморфных сплавов больших размеров, до 1000 мм, при этом форма магнитопроводов может быть кольцевой, овальной, стержневой, П- и Ш-образной [9]. Из аморфной ленты можно изготавливать очень крупные магнитопроводы для трансформаторов и электрических реакторов, работающих в силовых устройствах на частоте несколько килогерц. Низкие удельные магнитные потери в области нескольких десятков килогерц используются в трансформаторах и реакторах малой мощности [10]. Очень высокая начальная магнитная проницаемость определяет еще одну область применения — трансформаторы тока высокого класса точности, а также различные измерительные преобразователи [11]. Высокая магнитная проницаемость в широкой области частот, до 10 МГц, необходима для помехоподавляющих фильтров. Разнообразно применение аморфных материалов после термомагнитной обработки, в результате которой петля магнитного гистерезиса становится прямоугольной или имеет низкую остаточную магнитную индукцию. Например, магнитопрово-ды с прямоугольной петлей используются в качестве помехоподавляющего насыщающего реактора, обеспечивающего подавление выбросов тока в момент перехода прямого тока через ноль при переключении полупроводникового диода, или в качестве магнитного усилителя в источниках вторичного питания.
Физики объяснили необычное поведение сильно неупорядоченных сверхпроводников
В статье, которую ученые опубликовали на страницах журнала Physical Review B: Condensed Matter And Materials Physics, речь идет о так называемых сверхпроводниках с псевдощелью. Термин «щель» возникает в квантовой теории сверхпроводимости и обозначает характерный зазор на диаграмме с распределением электронов по энергиям, энергетическом спектре. Выделяют сверхпроводники с «обычной» щелью и особые сверхпроводники, которые даже в своем «нормальном» состоянии демонстрируют нечто похожее на щель — ее называют псевдощелью.
Пары электронов и сверхпроводимость
Для понимания термина «щель» необходимо сделать небольшой экскурс в теорию. Полной модели, которая бы объясняла феномен сверхпроводимости во всех деталях (и позволяла бы, например, синтезировать работающий при комнатной температуре сверхпроводник) нет по сей день, но в качестве наиболее удачной модели на сегодня используется чаще всего БКШ-теория: разработанная Джоном Бардином, Леон Нилом Купером и ДжономШриффером. В БКШ-теории ключевую роль играют куперовские пары — связанные состояния двух электронов с противоположно направленными спинами. Такие пары отличаются, с одной стороны, очень слабой связью между частицами (которая имеет сугубо квантовую природу — в классической теории электроны имеют одинаковый заряд и должны отталкиваться), а с другой — тем, что не взаимодействуют с кристаллической решеткой, поэтому свободно передвигаются по веществу и не тратят свою энергию на столкновения. Охладив металл до такой температуры, при которой тепловое движение частиц не мешает формированию куперовских пар, такие пары можно заставить перемещаться без потерь и за счет этого перевести весь образец в сверхпроводящее состояние.
Появление куперовских пар меняет не только электрические свойства вещества в целом, но и распределение электронов по энергиям, энергетический спектр. Формирование пар влечет появление в спектре характерного провала, который называют либо щелью, либо псевдощелью в зависимости от обстоятельств. Если вещество — сверхпроводник, и сверхпроводимость после охлаждения до критической температуры возникла одновременно с появлением куперовских пар, то говорят про щель (в английской литературе – gap). А вот если схожая особенность на графике со спектром электронов после охлаждения появилась, но сверхпроводимости при этом еще не возникло — употребляется термин «псевдощель» (получается, что щель как бы «ненастоящая», и её появление не связано с появлением сверхпроводимости). Если такое вещество охладить посильнее, оно становится сверхпроводником, а щель в его спектре увеличивается – в ее величине складываются как псевдощель, так и собственно сверхпроводящая щель. Свойства такого сверхпроводника во многом отличаются от обычного.
Псевдощель на реальном энергетическом спектре
Изображение: Benjamin Sacepe (Neel Institute, Grenoble, France)
Сверхпроводники с обычной щелью хорошо вписываются в теорию БКШ, которая однозначно связывает куперовские пары с формированием провала на графике распределения по энергиям. Эта же теория гласит, что плотность сверхпроводящего тока прямо пропорциональна величине сверхпроводящей щели: ρs ~ Δ, чем больше куперовских пар образовалось в единице объема, тем больше провал на энергетическом спектре, т.е. величина щели. Сверхпроводники с псевдощелью в теорию БКШ уже не вписываются, но их можно описать на основе теории, которую ранее предложили Михаил Фейгельман и Лев Иоффе с коллегами. В своей новой статье ученые при помощи своей теории рассчитали для сверхпроводников с псевдощелью зависимость плотности сверхпроводящего тока от ширины псевдощели.
Все дело в беспорядке
Изучение строения сверхпроводников с псевдощелью на микроскопическом уровне показало, что такие материалы отличаются сильной неупорядоченностью. Это значит, что их атомы не выстроены в идеальную кристаллическую решетку или структура этой решетки сильно нарушена. Примерами таких сверхпроводников с псевдощелью авторы нового исследования называют нитрид титана в виде тонкой пленки (в которой кристаллическая решетка окажется нарушена во многих местах) и оксид индия (который вовсе может быть аморфным, как стекло).
Неупорядоченность играет ключевую роль в том, что переход в сверхпроводящее состояние происходит не одновременно с формированием куперовских пар. Связанные друг с другом электроны в таких материалах появляются до того, как исчезает электрическое сопротивление именно потому, что многочисленные отклонения в микроскопической структуре вещества от идеального порядка могут мешать куперовской пары, которая в упорядоченных кристаллах движется без всяких помех.
Необходимо подчеркнуть, что куперовские пары в сверхпроводнике с псевдощелью нельзя охарактеризовать как неподвижные. Из-за квантовых эффектов их поведение несколько сложнее: подчиняясь соотношению неопределённостей, они не замирают неподвижно в одном месте, а “размазываются” по достаточно большой (десятки межатомных расстояний), но конечной области. Если бы они могли двигаться, такая область покрывала бы всё вещество: лучше представить это поможет картинка ниже.
Отличие обычных сверхпроводников от псевдощелевых. Сверхпроводимость в случае обычных сверхпроводников при повышении температуры выше критической исчезает потому, что разрушаются куперовские пары, а в случае сверхпроводников с псведощелью — потому, что неупорядоченность начинает мешать движению куперовских пар, и они становятся локализованными в некоторой области решётки. Изображение: пресс-служба МФТИ.
Итоговый результат
Вывод электрических параметров сверхпроводников с псевдощелью из квантовых свойств вещества важен как с фундаментальной (ученые стали лучше понимать сверхпроводники в целом), так и с прикладной точки зрения. Исследователи отмечают, что на основе оксида индия, типичного сверхпроводника с псевдощелью, уже удалось создать сверхпроводящее квантовое устройство, способное служить прототипом составной части квантового компьютера.
Рассмотрев движение куперовских пар по веществу с разной степенью неупорядоченности, ученые вывели теоретическую зависимость плотности куперовских пар ρs в веществе от ширины псевдощели. Это важная характеристика, поскольку она обратно пропорциональна индуктивности пленки (а описываемые материалы получают именно в виде пленок) в сверхпроводящем состоянии. Подобные пленки с высокой индуктивностью и нулевым сопротивлением нужны для производства кубитов, основы квантовых вычислительных устройств.
Если в обычных сверхпроводниках зависимость плотности куперовских пар от ширины псевдощели была линейна (ρs ~ Δ), то в изучаемых веществах она оказывается квадратичной (ρs ~ Δ2). Этот факт легко проверить экспериментально в более подробном исследовании — и, если это произойдёт, теория, разработанная авторами ранее, найдёт дополнительные подтверждения.
«Эта классическая картина зависимости не выполняется для «очень грязных» сверхпроводников, — объясняет один из авторов статьи, Михаил Фейгельман из ИТФ имени Л.Д. Ландау. — Этим термином обозначают сверхпроводники, сделанные из сплавов металлов с сильно нарушенной кристаллической решеткой, практически аморфных. Критическое магнитное поле продолжает примерно линейно увеличиваться при понижении температуры до сколь угодно низких значений, которые можно достичь в эксперименте. Этот факт был известен давно, но никакого внятного объяснения у него не было».
В новой работе ученые смогли понять, какова природа нетипичного поведения «очень грязных» сверхпроводников. Ключевым экспериментом, который позволил это понять, стало измерение еще одного важнейшего параметра сверхпроводников — критического тока. Это максимальное значение незатухающего тока, который может протекать в сверхпроводнике без потерь энергии на рассеяние в тепло. При бо́льших токах вещество теряет сверхпроводящие свойства, то есть в нем появляется сопротивление, и образец вещества начинает нагреваться. Физики измеряли, как критический ток в сверхпроводящей пленке из оксида индия зависит от магнитного поля. Ученые пропускали ток через пленку, находящуюся в магнитном поле, значение которого было чуть меньше критического, и наблюдали, при каком значении тока в образце разрушится сверхпроводящее поведение.
Подобные эксперименты проводились и раньше. Уникальность этой работы в том, что зависимость максимального сверхпроводящего тока от магнитного поля в «очень грязных» сверхпроводниках была измерена при магнитных полях, близких к критическим, и очень низких температурах. «Неожиданно оказалось, что критический ток очень простым образом зависит от того, насколько магнитное поле близко к критическому значению. Это степенная зависимость, степень равна 3/2», — говорит Фейгельман. Кроме того, ученые определили, как критическое поле в пленке оксида индия зависит от температуры.
«Глядя на результаты этих двух экспериментов, мы смогли понять, как они взаимосвязаны, — рассказывает Фейгельман. — Стабильное повышение критического магнитного поля при низких температурах в «очень грязных» сверхпроводниках происходит из-за того, что в сверхпроводящем состоянии, которое реализуется в сильном магнитном поле, существуют тепловые флуктуации так называемых абрикосовских вихрей (квантовые вихри сверхтока, которые появляются в сверхпроводниках под воздействием внешнего магнитного поля, которое именно таким образом проникает в сверхпроводник). И мы нашли способ, как описать эти флуктуации». Предсказания созданной авторами работы теории хорошо описывают полученные экспериментальные данные.
«Очень грязные» сверхпроводники, также называемые сильно неупорядоченными сверхпроводниками, представляют собой активную область исследований в современной физике. Обычно, чем больше «беспорядка» в металле, тем хуже он проводит электрический ток. При понижении температуры проводимость неупорядоченных металлов увеличивается. «Очень грязные» сверхпроводники ведут себя иначе: в обычном состоянии они являются слабыми диэлектриками и при охлаждении проводят ток все хуже и хуже, но по достижении критической температуры скачкообразно превращаются в сверхпроводники. «Сверхпроводник и диэлектрик — противоположные по свойствам состояния, именно поэтому удивительно, что в таких веществах они могут переходить одно в другое, — поясняет Фейгельман. — Хотя «очень грязные» сверхпроводники изучают уже 25 лет, полноценной теории, которая бы объясняла все их странности, до сих пор нет».
В последние годы интерес к неупорядоченным сверхпроводникам дополнительно возрос благодаря появлению новых областей, где такие вещества оказались очень востребованными. Например, «очень грязные» сверхпроводники идеально подходят для изоляции от всевозможных помех сверхпроводящих квантовых битов — элементарных вычислительных единиц квантового компьютера. Удобнее всего изолировать их от внешнего мира при помощи элементов с очень высокой индуктивностью. Она определяет, насколько силен будет магнитный поток, создаваемый протекающим в системе электрическим током. Индуктивность вещества тем больше, чем меньше в нем плотность проводящих элементов, а этот параметр уменьшается с ростом «грязи» в сверхпроводниках.
Литература
- Баум Б. А. Металлические жидкости. М.: Наука, 1979.
- Стародубцев Ю. Н., Сон Л. Д., Цепелев В. С., Тягунов Г. В., Тишкин А. П., Коробка О. Б. Влияние температуры нагрева расплава на механические и магнитные свойства аморфной ленты // Расплавы. 1992. № 4.
- Inoue A., Makino A., Mizushima T. Ferromagnetic bulk glassy alloy // J. Magn. and Magn. Mater. 2000. V. 215–216.
- Глезер А. М., Молотилов Б. В. Структура и механические свойства аморфных сплавов. М.: Металлургия, 1992.
- Telford M. The case for bulk metallic glass // Materials today. 2004. March.
- Herzer G. Nanocrystalline soft magnetic alloys // Handbook of magnetic materials. V. 10. Edited by K. H. J. Bushow. Amsterdam: Elsevier Science, 1997.
- Стародубцев Ю. Н., Белозеров В. Я. Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2002.
- Стародубцев Ю., Белозеров В. Нанокристаллические магнитомягкие материалы // Компоненты и технологии. 2007. № 4.
- www.gammamet.ru
- Стародубцев Ю. Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. М.: РадиоСофт, 2005.
- Стародубцев Ю., Белозеров В. Аморфные и нанокристаллические сплавы для измерительных преобразователей // Компоненты и технологии. 2008. № 1.
Источники: https://www.nanonewsnet.ru/, https://power-e.ru/, https://rscf.ru/
