Использование усовершенствованной керамики при разработке сверхвысокотемпературных сверхпроводников

Проталкивание границ сверхпроводимости с помощью усовершенствованной керамики

Передовая керамика образует основу современных сверхвысокотемпературных сверхпроводников (UHTS), класса материалов, которые бросают вызов нашему фундаментальному пониманию электрического сопротивления. В отличие от обычных сверхпроводников, которые требуют охлаждения жидким гелием до почти абсолютного нуля, UHTS работают при температурах выше точки кипения жидкого азота (-196 ° C), резко снижая эксплуатационные расходы и открывая дверь для практических, крупномасштабных применений. Уникальная химия кристаллов и термостойкость некоторых оксидов керамики позволяют току с нулевой устойчивостью при этих повышенных температурах, что делает их незаменимыми в поисках эффективной передачи энергии, компактных медицинских устройств визуализации и магнитной левитации без трения. В этой статье исследуется, как передовые керамические приборы спроектированы для создания этих замечательных материалов, текущие проблемы, с которыми сталкиваются исследователи, и будущие направления, которые обещают приблизить сверхпроводимость комнатной температуры к реальности.

Понимание сверхвысокотемпературной сверхпроводимости

Сверхпроводимость была обнаружена в 1911 году, когда Хайке Камерлинг Оннес заметил, что ртуть потеряла все электрическое сопротивление ниже 4,2 К. В течение десятилетий самая высокая критическая температура (T]c ) оставалась ниже 30 К, требуя дорогостоящего охлаждения жидкого гелия. Прорыв произошел в 1986 году с открытием керамических сверхпроводников купрата Беднорзом и Мюллером, которые показали Tc выше 30 К. В течение года оксид меди иттрия бария (YBCO) достиг сверхпроводимости при 93 К — выше точки кипения жидкого азота. Этот класс материалов теперь классифицируется как сверхпроводники сверхвысокой температуры (UHTS), обычно определяемые как имеющие Tc > 77 К.

Механизм сверхпроводимости купрата не полностью объясняется традиционной теорией BCS, которая парирует электроны через колебания решетки (фононы). В керамических купратах считается, что сильная электронная корреляция в медно-кислородных плоскостях и роль антиферромагнитных спиновых флуктуаций опосредует спаривание при высоких температурах. Кристаллическая структура этих керамических пластин слоистая, с чередующимися проводящими плоскостями оксида меди и слоями заряженного резервного слоя, которые поставляют дыры или электроны в плоскости. Эта сложная структура требует точного контроля над композицией и стехиометрией кислорода для достижения оптимального Tc.

Сегодня наиболее высокое подтвержденное давление окружающей среды Tc составляет приблизительно 138 К в купратах на основе таллия (]Природа, 2000), в то время как при высоком давлении богатые водородом гидриды показали признаки сверхпроводимости вблизи комнатной температуры (]Природа, 2020. Однако наиболее практичными UHTS для инженерных применений остаются передовые керамические купраты, такие как YBCO, BSCCO и редкоземельные замещенные варианты.

Роль усовершенствованной керамики в сверхпроводниковом производстве

Передовая керамика определяется их инженерными микроструктурами и индивидуальными свойствами - высокой термической стабильностью, химической инертностью и замечательными электрическими характеристиками. В контексте UHTS эти керамики являются не просто пассивными субстратами; они являются активным материалом, в котором возникает сверхпроводимость. Способность синтезировать многослойные оксидные структуры с точностью атомного масштаба - это то, что делает возможным современный UHTS.

Ключевые керамические семьи

Три семьи доминируют в современных исследованиях и коммерческом производстве UHTS:

Другие известные керамические сверхпроводники включают купраты на основе ртути (HgBa2Can-1CunO2n+2+δ), которые при высоком давлении достигают Tc> 150 K, и арсениды на основе железа и халькогениды, которые проявляют Tc до 56 K, несмотря на их металлический характер.

Методы синтеза и обработки

Производство высококачественной керамики UHTS требует тщательного контроля над составом, фазовой чистотой и кристаллографической ориентацией.

  • Реакция твердого состояния — оксидные порошки смешиваются, кальцинируются при высоких температурах (800-950 °C), измельчаются и спекаются. Этот метод подходит для объемных поликристаллических образцов, но часто дает границы зерна слабой линии связи, которые ограничивают критическую плотность тока.
  • Мельттекстирование — плавление частично или полностью, затем медленное охлаждение через перитектическую температуру для выравнивания зерен. Используется для производства объемных магнитов YBCO с высокими захваченными полями.
  • Химическое осаждение паров (CVD) — Металлоорганические предшественники разлагаются на нагретой подложке для выращивания эпитаксиальных тонких пленок. Этот метод позволяет двуосевые текстурированные пленки YBCO на буферизованных металлических лентах (покрытые проводники).
  • Пульсированное лазерное осаждение (PLD) — лазер аблятирует керамическую мишень, накладывая пленку на подложку. PLD предлагает отличный перенос стехиометрии и используется для изготовления многослойных структур и искусственных центров закалки.
  • Порошок в трубке (PIT) — В первую очередь для BSCCO: порошок-предшественник упакован в серебряную трубку, втянут в проволоку, прокатан и обработан теплом для формирования сверхпроводящей фазы. Для достижения высоких критических токов требуются множественные деформации и отжига.

Каждый маршрут обработки вводит специфические микроструктурные особенности — границы зерна, двойные плоскости, кислородные вакансии и вторичные фазы, которые глубоко влияют на сверхпроводящие свойства.

Преимущества и проблемы керамической UHTS

Преимущества

  • Высокая критическая температура — Работа при температуре жидкого азота снижает криогенные затраты на порядок по сравнению с жидким гелием. Для крупномасштабных применений, таких как силовые кабели, термодинамическая эффективность и капитальные затраты значительно улучшаются.
  • Высокое критическое магнитное поле — Купратная керамика может поддерживать сверхпроводимость в полях, превышающих 50 Т при низких температурах, что позволяет использовать компактные магниты с высоким полем для ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ).
  • Химическая стабильность — Многие керамические купраты устойчивы в воздухе и устойчивы к деградации из влаги при правильной инкапсуляции. Их оксидная природа также позволяет интегрироваться с керамическими и металлическими подложками без сильной интердиффузии.
  • Манипулируемая анизотропия — Слоевая структура может быть спроектирована для адаптации анизотропии: YBCO является менее анизотропным, чем BSCCO, что делает его более подходящим для проводников с покрытием, где ток должен течь по длине ленты.

Вызовы

Несмотря на эти преимущества, керамические UHTS сталкиваются с фундаментальными препятствиями, которые препятствуют широкому распространению:

  • Слабые границы зерна — В поликристаллических купратах границы зерна действуют как соединения Джозефсона, сильно ограничивая плотность интерграйна критического тока. Перекосы выше 4-5° вызывают экспоненциальное подавление Jc. Это требует биаксиальной текстурации в проводниках с покрытием YBCO, резко увеличивая сложность производства.
  • Анизотропный транспорт — Купраты сильно анизотропны, при этом Jc по оси c примерно в 1000 раз ниже, чем в плоскостях a-b. Для насыпных или проводных применений это требует выравнивания проводящих плоскостей вдоль текущего направления.
  • Flux creep и pinning — При повышенных температурах и полях термоактивированное движение потока (flux creep) генерирует сопротивление. Введение наноразмерных дефектов — таких как BaZrO3 наностержней, Y2O3 наночастиц, или радиационно-индуцированных колоннообразных дефектов — требуется для защемления вихрей и поддержания высокого Jc.
  • Кислородная стехиометрия — Сверхпроводящая фаза в YBCO требует содержания кислорода O6.9 до O7. Любое отклонение уменьшает Tc и приводит к разделению фазы на несуперпроводящие тетрагональные или орторгомбические варианты. Контроль парциального давления кислорода при обработке и охлаждении имеет решающее значение.
  • Бриттлость и механическое напряжение — Керамика по своей природе хрупкая. В катушках или кабелях сверхпроводник должен выдерживать напряжения растяжения и изгиба при обмотке и термическом цикле. проводники с покрытием YBCO используют металлическую подложку (Hastelloy или нержавеющая сталь) для обеспечения механической поддержки, но сама керамическая пленка может трескаться под напряжением >0,5%.

Эти проблемы стимулировали интенсивные исследования в области лучших методов обработки, искусственных центров зажима и альтернативных архитектур, таких как многофайламентные ленты и круглые провода.

Приложения для исследований вождения

Передача энергии

Сверхпроводящие силовые кабели могут нести в три-пять раз больше тока, чем обычные медные кабели того же сечения, с нулевыми резистивными потерями. Несколько демонстрационных проектов развернули кабели на основе YBCO в коммунальных сетях, таких как проект кабеля HTS в Олбани . Использование жидкостного азотного охлаждения (77 K) делает кабели HTS экономически жизнеспособными для плотных городских коридоров, где пространство ограничено. Керамические ленты должны быть длинными (> 100 м) и однородными, с J c > 5 MA / см2. Последние достижения в ПЛД катушки и реактивное совместное испарение улучшают выход и снижают стоимость.

Магнитно-резонансная томография (MRI)

Обычные магниты МРТ используют низкотемпературный сверхпроводящий провод NbTi, работающий при 4,2 К. Замена их керамикой UHTS может обеспечить более высокую прочность поля (7 Т и выше) при использовании дешевых жидких азотных или криокулеров замкнутого цикла. Ленты YBCO и круглые провода BSCCO исследуются для компактных высокопольных систем МРТ, которые улучшают разрешение и уменьшают время сканирования. Основной проблемой является потеря переменного тока в керамических проводниках во время накачки, которая может быть смягчена путем перемешивания пленок YBCO или использования витых нитей.

Магнитная левитация (Маглев)

Насыпная керамика YBCO, обработанная с помощью текстурирования расплава, может захватывать магнитные поля, превышающие 1 Т при 77 К. При охлаждении по постоянному магнитному пути они левитируют пассивно из-за защемления потока. Японские поезда серии L0 маглев в настоящее время используют катушки с низким Tc, но конструкции следующего поколения направлены на включение навалок UHTS для упрощенной, отказоустойчивой левитации без активной обратной связи. Американское физическое общество выделило навалочную левитации YBCO в качестве ключевой демонстрации потенциала UHTS.

Действующие ограничители

Когда неисправность возникает в электрической сети, ток может колебаться до 10-20 номинальных. Ограничители тока сверхпроводящего разлома (SFCL) используют быстрый переход от нулевого сопротивления к нормальному сопротивлению при превышении критического тока. Тонкие пленки YBCO на сапфировых или покрытых проводниках идеально подходят для резистивных SFCL. Высокое сопротивление нормального состояния керамики эффективно ограничивает ток разлома, и он быстро восстанавливается после устранения неисправности. Несколько единиц в настоящее время находятся в коммерческом развертывании в Европе и Азии.

Оригинальное название: Beyond Cuprates

Железобетонные сверхпроводники

Обнаруженные в 2008 году, сверхпроводники на основе железа (FeSC) предлагают редкий пример системы с высоким содержанием железа (FLT:0]c . в этом семействе составляет 56 K для SmO ]1-x ]F]FeA как под давлением окружающей среды, так и до 100 K для тонких пленок под химическим давлением. FeSCs менее анизотропны, чем купраты, и демонстрируют высокие верхние критические поля (>100 T). Хотя они содержат токсичные элементы, такие как мышьяк, их поликристаллическая форма менее подвержена слабым звеньям, что потенциально позволяет дешевле изготавливать проволоку. Расширенная керамическая обработка FeSCs, такая как использование лент с серебряной обшивкой, является активным полем (]Научные отчеты, 2019 ].

Гидридные сверхпроводники под экстремальным давлением

Недавнее подтверждение сверхпроводимости при температуре около комнаты в сероводороде (H]3S, Tc=203 K) и гидриде лантана (LaH10, Tc]]]]]]]]][[FLT:]] Эти материалы не являются керамическими соединениями в традиционном смысле, но они синтезируются в виде керамических соединений с помощью алмазных наковальних клеток высокого давления. Задача состоит в том

Компьютерные материалы Discovery

Машинное обучение и теория функционала с высокой пропускной способностью ускоряют поиск новых керамических сверхпроводников. Базы данных известных структур купратов используются для обучения моделей, которые предсказывают Tc на основе химического состава и кристаллической симметрии. Например, в проекте Materials Project были проверены тысячи оксидных соединений на потенциальную сверхпроводимость. Хотя не было предсказано с уверенностью, эти инструменты направляют экспериментаторов к перспективным целям синтеза. Сочетание автоматизированных роботов синтеза керамики и высокопроизводительная характеристика может идентифицировать новые материалы UHTS быстрее, чем когда-либо прежде.

Заключение

Передовая керамика - это больше, чем поддерживающий игрок в истории сверхвысокотемпературной сверхпроводимости; они являются той самой средой, в которой происходит это экстраординарное явление. От первого прорыва купрата до сегодняшних покрытых проводников и объемных магнитов, керамическая инженерия позволила сверхпроводимости при практически соответствующих температурах. Дорога к комнатно-температурной сверхпроводимости по-прежнему требует преодоления внутренней хрупкости, анизотропного транспорта и сложности обработки этих материалов. Тем не менее, с продолжающимися достижениями в синтетических методах, технологии сжатия потока и вычислительных открытий, следующее поколение керамических сверхпроводников обещает трансформировать технологии, начиная от электрических сетей до медицинской диагностики. Синергия между керамической наукой и физикой конденсированных веществ останется в центре этого поиска.