Температура и энтропия фазовых переходов. Создание очень высокотемпературных сверхпроводников

Фрактальная физика применена к электрической проводимости, что позволяет установить природу этого явления. Из п. 4.1 и [5] мы узнали, что фотоны являются, во-первых, инициаторами возбуждения электронов атома, во-вторых, они являются энергетическими носителями. Установлено, что электроны в проводнике не перемещаются, а остаются связанными со своими атомами. Возникновение фотона (кванта) обусловлено взаимодействием возбужденных электронов с вихревой структурой пространства атома (см. п. 4.2). Фотон «набегает» на электрон, возникающее в результате сложное движение можно описать, просто складывая заряды обеих взаимодействующих частиц. Этот процесс создания электрической проводимости можно представить как процесс образования солитонов, несущих в данном случае для проводника отрицательный электрический заряд. Такая модель проводимости применена как для рассмотрения создания проводимости полупроводникового диода, так и для описания явления сверхпроводимости.

Сначала вкратце рассмотрим явления, протекающие в полупроводниковых приборах, которые имеют общие свойства с твердыми телами. На рис. 6.1 показан механизм возникновения электрического тока в полупроводниковом приборе. Переход образован соединением полупроводника n- и р-типов. Считалось, что в полупроводнике n-типа носителями электрического тока являются электроны донорных атомов, а в полупроводнике р-типа носителями электрической энергии являются дырки, образованные акцепторной примесью. Эти отрицательные и положительные носители создают проводимость в полупроводниковом приборе. По представлениям нынешней физики, потоки электронов и дырок перемещаются в противоположных направлениях, а общий ток через переход равен сумме электронного и дырочного

 

токов. Кроме того, считалось, что дырка — пустое место в ковалентной связи, вызванное фактически недостатком электрона или оставленное удаленным электроном Для описания процессов обмена энергией в полупроводниках традиционная физика [45] ввела экситонный механизм. В полупроводниках экситоны, по ее представлению, — это электрон и дырка, связанные друг с другом кулоновскими силами и образующие поэтому квазиатом.

Рис. 6.1. Графическое изображение возникновения электрического тока в полупроводниковом диоде

В соответствии со структурным представлением пространства фрактальной физикой, дырка — это не пустое место, а поляризованная структура пространства (см. п. 3.3 и п. 4.2). Для длительного существования такой структуры пространства должен быть вихрь. Этот элементарный вихрь в состоянии динамического равновесия состоит из положительно и отрицательно заряженных составляющих. Однако в дырке локально (по периферии) размещается положительно заряженная составляющая вихря. Механизм возбуждения дырок и электронов и создание проводимости в полупроводнике проиллюстрирован введением фотона. Для ясного понимания этот процесс воспроизведен символически в двумерном изображении, показанном на рис. 6.1. Уточним, что фотон электрически нейтрален, так как составляющие противоположно заряжены (см. п. 4.1). При взаимодействии фотона с вихрем происходит коллапс микроструктуры пространства и возникновение нового фо-

 

тона, действие которого через ион (ионы не показаны на рис. 6.1) передается следующей дырке. Заметим, что фотон взаимодействует в р - полупроводнике с локальным положительным зарядом дырки. В то же время про -исходит восстановление вихря за счет связи с окружающим пространством. При взаимодействии фотона с электроном в полупроводнике n-типа также происходит передача энергии через ион следующему электрону. Генерируемые фотоны движутся в направлении перехода. Таким образом, в динамике в n- и р-областях диода создаются солитоны, соответственно несущие отрицательные и положительные заряды, которые и переносят энергию. Так как фотон «набегает» на частицу, то возникающее в результате более сложное движение можно описать, просто складывая заряды обеих частиц в каждой точке: для р-области как +2 - 1 ® +1, а для n-полупроводника в виде -2 + 1 ® -1. Мы уже знаем, этот процесс создания электрической проводимости можно представить как процесс образования уединенных волн, совсем недавно получивших название солитонов [75]. Заметим, что носители энергии — фотоны в полупроводнике n- и р-типа разны; и разны так называемые понятия — коэффициент подвижности и диффузии. Это обусловлено тем, что действие фотонов происходит на разных энергетических уровнях этих кристаллов. Рассмотренные явления в полупроводниковом приборе очень важны для изучения процессов в твердых телах, в том числе и для диэлектриков, у которых отсутствует возникновение фотона или передача энергии соседней частице.

Теперь перейдем к рассмотрению явления сверхпроводимости. Явление сверхпроводимости заключается в упорядоченности, согласованности поведения субатомных частиц веществ в больших объемах макроскопического тела. Подобное понимание привело к открытию высокотемпературной сверхпроводимости в области 30 К и созданию сверхпроводников с критической температу-

 

рой 90 и 125 К [76, 77]. Однако проблема, которая получила в физике название высокотемпературной сверхпроводимости, осталась, ибо в технике под высокими понимаются температуры по меньшей мере в сотни градусов Цельсия. Так что под указанными высокотемпературными сверхпроводниками следует понимать низкотемпературные сверхпроводники с необходимостью использования хладагента, что обусловливает приложение тяжелых систем охлаждения.

Поскольку в настоящее время отсутствует общепринятая универсальная теория высокотемпературной сверхпроводимости, обладающая предсказательной силой, автору необходимо было исследовать и понять основные характеристики известных сверхпроводников, рассмотреть свойства теории БКШ [52] и дать физическое обоснование структурного (вместо статистического) представления материи.

Проведенные исследования позволили подойти к раскрытию механизма высокотемпературной сверхпроводимости и разработать химические системы, которые проявляют свойства высокотемпературной сверхпроводимости. Такой подход исследования открыл путь к соз -данию действительно новых высокотемпературных сверхпроводников с критической температурой 210, 373 К и выше.

Ведь до сих пор, как и сто лет назад, понятия теплоты, температуры и энтропии не связаны со строением и свойствами конкретных атомов веществ, в которых имеются электроны и ядра. Поэтому теория БКШ (аббревиатура фамилий авторов: Бардин, Купер, Шриф-фер) основывается на несостоятельном статистическом представлении, объясняет появление энергетической Щели и удовлетворяет двум условиям: волновая функция должна быть когерентной и должно существовать притяжение между электронами. С помощью модели, основанной на теории БКШ, невозможно объяснить даже значение критической температуры перехода порядка 90

 

К. Это означает, что высокотемпературная сверхпроводимость объясняется не электрон - фононным взаимодействием, как в этой теории, а другим механизмом. Поэтому для раскрытия механизма сверхпроводимости весьма актуальным было решение фундаментальных задач:

1) установление связи между явлением сверхпроводи-
мости и миром фундаментальных частиц;

2) установление формы и структуры электрона, про-
тона, нейтрона и фотона;

3) установление структуры пространства;

4) установление единого фундаментального взаимо-
действия.

Эти проблемы, за исключением первой, рассмотрены в предыдущих разделах фрактальной физики (см. пп. 3.1, 3.3, 4.1, 4.2). Что касается первой задачи, то установлены закономерные связи температуры фазового перехода первого рода и изменения энтропии веществ в зависимости от количества и состояния субатомных частиц. Понятия фазовых переходов введены в п. 1.4. Результаты теоретического и экспериментального анализа температуры и энтропии сжиженных однородных газов приведены в докладе автора на Харьковской конференции по высокотемпературной сверхпроводимости в октябре 1989 года [78] и представлены в таблице 6.1. При сравнении теоретических результатов с имеющимися экспериментальными данными [103] найдено их хорошее соответствие. Необходимость такого исследования вызвана тем, что целый ряд факторов свидетельствуют о сходстве жидкостей с твердыми телами, т. е. телами, обладающими кристаллической структурой. Так, при повышении температуры теплоемкость может достичь 25 Дж/(моль^.К), начиная с жидкого кислорода. Знаем, кислород входит в состав высокотемпературных сверхпроводников.

 

Таблица 6.1. Параметры сжиженных однородных газов

 

№

Название

Атомар

Кван

Номер

Число

Кван-

Номер

Расчетная

Эксперимен-

Атомар-

Расчетное

Эксперимен-

Примечание

п/

газа

ный

товое

периода

σ

товое

группы

темпе-

тальная темпе-

ная

изменение

тальное

п

номер

число

n

число

N

ратура

ратура кипе-

масса

энтропии

изменение

Z

I

J

кипения

ния, разделен-

А

ΔS/π =

энтропии

Т°К/е

ная на е

(A+Z+I) £ 25

Q /(π . Т°К)

1.

Водород

7,5

14*

A*=8-A=N

Н2

Z*=8-Z=N

ΔS/π =A*+Z*

2.

Гелий

-1

1, 5

Не

3.

Азот N2

+1

22,5

4.

Кислород

+1

02

5.

Фтор

+1

-1

24,5

F2

6.

Неон

-1

ΔS/π =А

Ne

7.

Хлор

+1

+1

35,5

CL2

8.

Аргон

-1

+1

Аг

9.

Криптон

Кг

10.

Ксенон

-1

Хе

 

Оказалось, что эти связи температуры и энтропии имеют свою значимость при определении перехода второго рода, т. е. перехода в сверхпроводящее состояние. Так как возникновение сверхпроводимости можно рассматривать как фазовый переход от менее к более упорядоченному состоянию, то были обоснованы условия возникновения сверхпровдимости вблизи точек перехода:

— наличие электронной упорядоченности соединения;

— наличие потенциала притяжения электронов и

— появление критической температуры перехода хи
мического соединения.

Электронная упорядоченность обусловливается подбором элементов с учетом положения каждого атома в элементарной ячейке.

Наличие потенциала притяжения электронов обусловливается подбором элементов по их энергетическим характеристикам, определяющим максимальную энергию связи компоненты в соединении.

Критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние определяется наличием в кристаллической структуре ион-молекул, например, О₂^2-, возникающих вследствие пространственного ограничения в элементарной ячейке соединения и обусловленных взаимодействием непосредственно не связанных между собой атомов. Тепловое движение является причиной скачкообразного изменения расстояния между ион-молекулами, вследствие чего обмен энергией между валентными электронами сверхпроводящей системы нарушается, так как потенциал притяжения электронов приобретает хаотическое движение.

Следовательно, критическая температура Т перехода в сверхпроводящее состояние выражается в градусах Кельвина следующим соотношением [78], которое установлено при исследовании фазовых переходов первого рода:

 

Т = е [Z + I + (n^σ + J) N], (6.1)

где е — значение числа, выраженное в К^.см и равное 2,718... К • см; Z — атомный номер характеризует заряд ядра элемента (число протонов); I — квантовое число (+ 1, 0, -1), характеризующее изменение состояния. Изменение состояния вызвано поглощением или излучением атомом кванта энергии; n — номер внешнего энергетического уровня атома определяется номером периода, в котором находится элемент; σ — число атомов в молекуле; J — квантовое число (+ 1, 0, -1), характеризующее изменение энергетического уровня электрона; N — число внешних электронов атома, равное номеру группы периодической таблицы элементов.

Числа, стоящие в прямых скобках выражения (6.1) представляются как волновые числа и выражаются в данном случае в обратных сантиметрах.

Фазовый переход описывается изменением энтропии для одного моля вещества ΔS, которое характеризует скачкообразное изменение теплоемкости и выражается в

Дж/(моль^.К) следующим соотношением [78]:

 

ΔS = π(А + Z + I)

 

(6.2)

 

где π — число, равное 3,14...; А — число нуклонов (атомная масса); Z — число электронов (атомный номер элемента); I — квантовое число (+1, 0, -1), характеризующее поглощаемый или излучаемый фотон. При этом в соотношении ΔS выражение для молярной теплоемкости есть C_v = (A + Z + I) £ 25. Как видим, размерность изменения энтропии определяется единицей молярной теплоемкости, что приводит к полному согласованию размерностей. Заметим, что структурное представление характеризует молярную теплоемкость твердых тел числом 25, как предельное значение взаимосвязанных частиц: протонов, нейтронов, электронов, фотонов, размещаемых в сферическом объеме [79].

 

Вывод соотношений (6.1) и (6.2) произведен на основании известных положений: для перехода системы из жидкого состояния в газообразное в точке кипения затрачивается энергия (работа). Работа сама по себе предполагает упорядоченное движение частиц. Закономерности перехода жидкой макроскопической системы в пар наглядно можно сформулировать, исходя из описания отдельных микрочастиц.

Вывод критической температуры Т произведен из приближенного равенства, характеризующего энергию одиночного атома [41]: kT @ e²(Z + N)/(rR_о), где k — постоянная Больцмана (или универсальная газовая постоянная в расчете на атом); е — заряд электрона; г — первый боровский радиус, соответствующий основному состоянию в атоме водорода; R_о — постоянная Ридберга, равная 109737 см"¹. Вспомним, что волновое число, эквивалентное энергии ионизации атома водорода, носит такое название; Z — число протонов ядра (порядковый номер элемента); N — число внешних электронов атома (номер группы периодической системы). Учет внешних электронов связан с тем, что в тепловом движении большинство электронов не может участвовать.

Большие возможности фрактального анализа заключаются в том, что в нем рассматриваются совокупности точек в качестве основных объектов. Эта особенность аффинной геометрии (см. п. 2.1) согласуется с фундаментальной структурой фрактальной физики, в которой фотоны, электроны, ядра представляются электрическими зарядами. Возбужденные внешние электроны взаимодействуют с вихревой структурой пространства атома (см. ранее), что вызывает возникновение фотонов. Чем больше внешних электронов и чем больше заряд ядра (число протонов), тем необходимо больше затрачивать работу (энергию) для образования фазового перехода. Поэтому можно электроны и протоны представить как волновые числа. Единицей волновых чисел является в данном случае обратный сантиметр. Теперь мы получаем

 

в написанном выше выражении полное согласование размерностей.

В вышеприведенном выражении е² / r= X_а, постоянная Хартри — единица измерения энергии равной удвоенной энергии основного состояния атома водорода (т. е. потенциальной энергии атома водорода) и составляет 27,212 эВ. Тогда Т=X_a (Z + N)/(R_o • k), где k - значение постоянной Больцмана, выраженное в эВ на Кельвин, равное 0,862^.10^-4 эВ/К. Используя фрактальное представление состояния связанного в молекулу атома, последнее соотношение представлено в виде: Т = Х_a[Z + I + (n^σ + J)N)/(R_o • k), где n — номер уровня задает энергию электрона. Поэтому число σ соответственно равно 2 и 0 для двухатомного и атомарного вещества. (Заметим, σ может принимать значение 1 для атомарного кислорода. Для кислорода воды — это значение равно 2).

Полученное соотношение характеризует температуру превращения жидкой макроскопической системы в пар при нормальном давлении, при этом максимальное значение совершенной работы примерно равно глубине потенциальной ямы связанного атома, когда атом переходит в свободное состояние. Разрыв межмолекулярных связей наступает раньше достижения нуля потенциальной энергии атома. Поэтому коэффициент пропорциональности полученного соотношения Xa / (R_o • k) = 2,876... приближается по величине к числу е = 2,718... Тогда температура кипения Т однородных веществ выражена соотношением (6.1), а результаты исследования сведены в таблицу 6.1.

Следует заметить, что большой интерес представляет исследование дейтерия и трития, которые по своим атомным массам отличаются соответственно в 2 и 3 раза по сравнению с атомной массой водорода, однако температуры кипения отличаются незначительно — на величину 1/2 — спина нейтронов, умноженного на число е = 2,718...

 

В сложных соединениях установленные температуры кипения являются инвариантом, т. е. не зависят от структурной формулы соединения. Так, при образовании молекулы метана у атома углерода подверглись гибридизации один s- и три р-электрона и получились четыре одинаковые гибридные связи. В результате температура кипения метана определяется, в соответствии со структурной формулой, суммированием для каждой связи натуральных температур кипения (в е К) как для углерода, ко -торая определена соотношением (6.1) и равна 9, так и температуры кипения атомарного водорода, которая равна 1. К полученному результату добавляется единица, характеризующая поглощение кванта энергии. Тогда температуру кипения метана СН₄ выразим в численном виде: Т/е = 4(Т_с/е + Т_н/е) + 1 = 4(9 + 1)+ 1 = 41.

Интересные результаты получаются при исследовании процесса кипения воды. Молекула воды окружена четырьмя соседними соединениями: каждый атом водорода, уже связанный с кислородом, может приближаться к атому кислорода другой молекулы и образовывать с ним связь. Эта связь дает возможность каждой молекуле воды связаться с четырьмя другими. Поэтому температуру кипения воды выразим в численном виде: Т/е = 4(Т₀/е + Т_н/е) + 1 = 4(33 + 1) + 1 = 137. Полученный результат (число 137) наводит на мысль, что вода и тонкая структура пространства являются основными энергетическими носителями для обеспечения развития жизни (см. п. 3.3).

Температура тела человека (его фазового перехода) 36,8°С равна температуре кипения воды 100°С, разделенной на е = 2,718... Это говорит о том (см. п. 5.1), что температура фазового перехода человека в Кельвинах Т/е = (273,2+ 3б,8)/е = 114 определяется структурой углевода молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), формулу которого можно представить как С₅Н₁₀О₄. Здесь не хватает одного атома кислорода (66]. Поэтому этот углевод назвали обескислороженной ри-

 

бозой — дезоксирибозой. Молекула ДНК состоит из трех частей: молекулы фосфорной кислоты, молекулы дезоксирибозы и молекулы азотосодержащего соединения, называемого азотистым основанием. Молекулу углевода в среднем можно представить из пяти группСН, одного атома кислорода О, двух атомов водорода Н, трех групп ОН/2, цифра 2 характеризует, что данные соединения являются общими с двумя другими частями ДНК. Поэтому температуру фазового перехода человека выразим в численном виде как:

Т/е = 5(Т_с/е+Тн/е)+То/е+2Т_н/е + 3(Т₀/е + Тн/е)/2 = = 5(9+1)+ 32+2 • 1+3(19+1)72 = 114. Температура кипения кислорода-карбонила, в соответствии с формулой (6.1), в натуральных единицах равна 32, а для кислорода-гидроксила соответственно равна 19. Обратим внимание, что температура кипения кислорода-карбонила соответствует температуре кипения кислорода воды (см. ранее), хотя и меньше на единицу.

Вывод соотношения (6.2) сделан на основании того, что система находится в равновесии при температуре Т. Тогда, передав ей бесконечно малое количество теплоты dQ, получим элементарное изменение энтропии [53]: dS = dQ/Т = C_v • dT/T, где использовали определение теплоемкости при постоянном объеме, как C_v(Т) = (dQ/dT)_v. Температура кипения Т характеризует уровень особой точки процесса парообразования и определяет наступление разрыва межмолекулярных связей. Измене -ние энтропии жидкого газа представим в виде выражения несобственного (расходящегося) интеграла, при этом учтем, что теплоемкость постоянна вблизи точки кипения (Т ± ε), где ε — бесконечно малое изменение температуры кипения. Главное значение (V.P.) несобственного интеграла, после замены переменных, является искомым результатом — изменением энтропии в точке кипения:

(Т+ ε)

ΔS = V.P. С_v ò [l/(ξ-T)]^.δξ = π^.C_v.

(Т- ε)

 

Так как теплоемкость C_v, зависит от количества и типа вещества, то изменение энтропии при кипении одного моля при нормальном давлении однородного газа представлено в форме (6.2). Размерность изменения энтропии определяется единицей молярной теплоемкости.

Для веществ, состоящих из сложных молекул, энтропия определяется в соответствии со структурной формулой, как сумма элементарных энтропии (в натуральных единицах) всех элементов, составляющих молекулу без учета обобществляемых электронов (точек прикосновения электрических объектов) элемента, входящих в электронные пары. Последнее уточнение определяет, что энтропия — качественная характеристика материи. На примере метана СН₄, определим изменение энтропии как

ΔS/π = A_C + Z_C +4A_H + 1 = 12 + 6 + 4 + 1 = 23, где

к результату добавлена единица, характеризующая поглощение кванта энергии. Заметим, что ограничение энтропии для сложных веществ происходит при величине, большей 25.

Однако для воды такое ограничение не выполняется. Выше показано, что каждая молекула воды связана с четырьмя другими. Поэтому изменение энтропии воды

определим как ΔS/π = ΔS_о/π + 4(A_н + Z_н) +1 = 25+4(1+1) +1 = 34. Такое отклонение энтропии вызывается способностью молекулы воды удваивать свои связи. В удвоении связей молекулы воды просматриваются свойства живых организмов размножаться, удваиваться в числе при делении клеток. Это указывает, что вода является основным энергетическим носителем и соответственно основой для развития живой материи (см. главу 5).

Следствием установленных взаимосвязей и форм частиц является раскрытие механизма сверхпроводимости [1, 5]. На рис. 6.2 показано энергетическое изображение явления сверхпроводимости в керамических соединениях. На плоскости, имитирующей двумерную кристаллическую решетку, находится связанная кор-

 

пускулярная система, состоящая из трех (четырех) элементов, причем у среднего элемента, например, 6 внешних электронов, а у нижнего и верхнего — по 3 внешних электрона. Электроны элементов спариваются «полюсами», между которыми имеется потенциал притяжения из - за разной энергии связи.

Потенциал

Рис. 6.2. Энергетическое изображение явления сверхпроводимости в керамических соединениях

В некий момент одна из взаимодействующих частиц — электрон первого элемента испускает квант электромагнитного поля. Мы.уже знаем из модели атома (см. п. 4.2), что возникновение фотона обусловлено взаимодействием возбужденного электрона с вихревой структурой пространства атома. Это обсуждалось выше при рассмотрении проводимости полупроводникового прибора. Там же установлено, что носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон (квант), так как его составляющие противоположно заряжены. Взаимодействующие друг с другом частицы с большой скоростью обмениваются квантом. Действие распространяется от частицы к частице через ядро сред -него элемента и передается внешним электронам третьего (четвертого) элемента. Таким образом, обмен энергией между валентными электронами нижнего и

 

верхнего элементов происходит без рассеяния, а процесс создания электрического тока можно представить как рождение уединенных волн — солитонов, несущих отрицательный электрический заряд, который указан на рис. 6.2, как результат сложения зарядов взаимодействующих частиц. При этом критический ток определяется содержанием нижнего элемента — иттрия — на примере системы Y-Ba-Cu-O. Однако в проводниках обмен энергией между валентными электронами происходит с рассеянием ввиду отсутствия согласованности взаимодействия между ними.

Таким образом, несмотря на проведенный в 1916 г. опыт по определению носителей заряда в металлах (см. п. 1.4), нынешняя физика не могла описать природу электрической проводимости в проводниках, полупроводниках и сверхпроводниках. Однако фрактальная физика показала, что возникающие фотоны в пространственной структуре соединений являются не только инициаторами возбуждения электронов или дырок атома, но также и энергетическими носителями, ибо фотоны при взаимодействии с электроном или дыркой обеспечивают рождение уединенных волн — солитонов, несущих отрицательный или положительный электрический заряд. Явление электрической проводимости помогло понять природу электромагнитного поля движущихся электронов и возникающую при таком процессе поляризацию структуры пространства (см. п. 3.3). Под влиянием электронов происходит поляризация структуры пространства, которую можно также представить как процесс образования солитонов.

Такое понимание механизма сверхпроводимости позволило синтезировать химическое соединение YBa₂Ag₃S₇ [80] с критической температурой Т_с = 194 К, а позже достигнута Т_с = 210 К. На этом примере мы убедились, что критическая температура имеет квантовый характер, подтвердив тем самым наши теоретические изыскания, представленные соотношениями (6.1) и (6.2). Критическая тем-

 

пература этого соединения определяется в основном наличием пирит-ионов S₂^2- в кристаллической структуре и зависит от их энергетического состояния. В конечном счете достигнутый результат обусловил возможность синтезировать с устойчивой сверхпроводимостью материал YBa₂Ag₃Se₇ до температуры кипения воды [81].

Для получения сверхпроводника YBa₂Ag₃Se₇ были подготовлены три селенидных соединения: селенид серебра Ag₂Se, селенид бария с селеном (ввиду непрочного соединения селенид бария) BaSe + Se_2, селенид иттрия Y₂Se₃. Для получения вещества с заданным стехиометрическим составом исходная смесь была помещена в тигель плазмотронной технологической установки, в котором при высокой температуре проходила твердофазная реакция:

Y₂Se₃/2 + 2(BaSe + Se₂) + 3Ag₂Se/2 ® YBa₂Ag₃Se₉ ® YBa₂Ag₃Se₇.

Полученный сверхпроводник в виде поликристаллического порошка темно-серого цвета явился оптимальным по своим сверхпроводящим свойствам при вышеуказанной реакции. Критическая температура этого соединения определяется возникновением в кристаллической структуре в основном селенид- ионов Se₂^2-.

Для проверки правильности изложенной теории также синтезировано соединение YBa₂Cu₃Se₇ с критической температурой 371 К, что опубликовано в печати [16]. Покажем, как проведено проектирование такого сверхпроводника.

За основу проектирования сверхпроводника взято существующее химическое соединение YBa₂Cu₃O₇. Исследования существующего сверхпроводника показали, что наличие пероксид - иона О₂^2- в кристаллической структуре обусловливает температуру перехода в сверхпроводящее состояние 90 К. Заметим, что пероксид-ион О₂^2- возникает вследствие пространственного ограничения в элементарной ячейке соединения. Критическая

 

температура перехода Т_с = 90 К подтверждается теоретическим расчетом в соответствии с соотношением (6.1), приведенным выше:

Т_с = 2,718 [8 + 1 + (2² + 0) 6] = 90 К.

Если кислород в соединении заменить на серу или селен, то в кристаллической структуре этих соединений возникает пирит-ион S₂^2- или селенид-ион Se₂^2-. Соответственно критические температуры переходов определяются следующим образом.

Для серы: Т_с= 2,718 [16 +1 + (3² + 1) 6] = 209 К. Для селена: Т_с = 2,718 [34 + 1 + (4² + 1) 6] = 372 К.

Для уточнения отметим, что ион-молекулы О₂^2- и S₂^2-, Se₂^2- различаютя по энергетическому состоянию, поэтому их квантовые числа J неодинаковы. Кроме того, укажем, что при замене кислорода на теллур следует ожидать максимально достижимую температуру перехода порядка

Т_с = 2,718 [52 4- 1 4- (5² + 1) 6] = 568 К.

Экспериментальные исследования зависимости магнитной восприимчивости и сопротивления кристалла YBa₂Cu₃Se₇ от температуры (см. рис. 6.3) показали, что у нас действительно систематически наблюдается сверхпроводимость, причем расчетная критическая температура перехода составляет 372 К, а измеренная — 371 К. Проведенные исследования позволили объективно выявить сверхпроводящие свойства полученных материалов и защитить их патентами [82].

 

325 330 335 340 345 350 355 360 365 370 375 380

Б

Рис. 6.3. Экспериментальные исследования зависимости магнитной восприимчивости (а) и сопротивления (б) кристалла YBa2Cu3Se7 от

Температуры

Разработка космических аппаратов для передвижения со световой скоростью в Галактике (см. далее п. 6.3) потребовала создания сверхпроводников с критической температурой Т_с = 905°С. Данные сверхпроводники по своей структуре отличаются от ромбической формы элементарного кристалла вышеприведенных керамиче-

 

ских соединений. Эти сверхпроводники созданы на базе металлоорганических соединений, включая железо, и относятся к сандвичевым соединениям [67]. Такое название структуры соединения вызвано тем, что молекула этого вещества напоминает сандвич, т. е. один из атомов в ней находится между плоскостями двух колец соединений элементов. Критическая температура таких сверхпроводящих соединений определяется температурой кипения одной из компонент.

Для доказательства наличия сверхпроводящих свойств разработана эффективная установка (см. рис. 6.4), позволяющая фиксировать температуру перехода в сверхпроводящее состояние Т_с по изменению знака магнитной восприимчивости сопротивления исследуемого материала.

Рис. 6.4. Структурная схема установки для измерения параметров сверхпроводящих материалов

 

Для понимания напомним, что магнитная восприимчивость к является важным показателем физических свойств материалов и связана с относительной магнитной проницаемостью μ выражением κ = μ - 1. Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна и по абсолютному значению очень мала. Сверхпроводники ведут себя как идеальные диамагнетики. Их магнитная восприимчивость равна минус 1, а относительная магнитная проницаемость — нулю.

Полая катушка индуктивности 1 подключалась к измерителю сопротивления R, емкости С и индуктивности L типа Е7-12 2, включенному в режим измерения RL. При этом катушка стационарно устанавливается в термостат 3, куда помещается термопара 4, подключенная к вольтметру В7-39 5. Через каналы общего пользования приборов Е7-12 и В7-39 первичная измерительная информация подавалась на устройство управления и обработки данных специализированного типа Р - 908 6.

Первоначально при комнатной температуре было проведено измерение магнитной восприимчивости к соединения. Потом включался нагрев термостата и массив зависимости κ = (L* — L_о)/L_о, = f(T), — где L* — индуктивность системы при текущей температуре, L_о — индуктивность пустой катушки, -подавался на персональный компьютер 7, на мониторе которого зависимость κ = f(T) выводилась в графическом виде и распечатывалась на устройстве (принтере) 8.

Для определения температурного характера сопротивления исследуемого материала в вышеописанной установке катушка индуктивности 1 и измеритель R, С, L 2 заменялись на выпрямитель ВСП-50 и универсальный вольтметр В7-46, включенный в режиме измерения постоянного тока. В объеме кристалла сверхпроводника формировались четыре контакта. На крайние контакты подавалось напряжение от ВСП-50, сигнал от которого также шел на осциллограф С9-18, а к средним контак-

 

там подключался В7-46. Первичная измерительная информация от данных приборов поступала на устройство управления и обработки данных Р-908, а далее измерительный массив направлялся в персональный компьютер, на мониторе которого выводилась зависимость R_о/R = f(T),- где R_о, R — сопротивление исследуемого образца соответственно в сверхпроводящем и несверхпроводящем состоянии, — затем она распечатывалась на принтере.

Таким образом, на основании электромагнитной концепции мироздания и установления природы электрического тока в соединениях удалось синтезировать очень высокотемпературные сверхпроводники для обеспечения выхода человека в Галактику.