Сверхпроводники обладают нулевым электрическим сопротивлением при малых температурах. Поток электронов, создающих электрический ток, двигается в них без столкновений с атомами кристаллической решётки проводящего материала, а значит, и без тепловых потерь. Сегодня сверхпроводники используются при создании магнитов высокой мощности для дорогостоящего научного оборудования и средств медицинской диагностики высокой точности.

Материал проявляет сверхпроводящие свойства при определённых значениях напряжённости внешнего магнитного поля, температуры или силы протекающего тока. Учёные из Института физики металлов Уральского отделения РАН и ВНИИ неорганических материалов изучили зависимость величины критического тока от способа получения материала.

Ирина Дерягина и её коллеги получали сверхпроводящие волокна ниобата олова (Nb3Sn) по бронзовой технологии, при которой ниобиевые волокна заключаются в бронзовую матрицу с повышенным содержанием олова. При нагревании атомы олова реагируют с волокнами, и образуются нанокристаллические зёрна сверхпроводящего Nb₃Sn. Если удачно подобрать условия (температура и время нагрева, концентрация олова), то после отжига на поперечных срезах волокон практически не останется непрореагироваших атомов ниобия. При получении волокон часто добавляют небольшое количество титана, который помогает атомам ниобия и олова правильно расположиться в пространстве для создания сверхпроводящих зёрен фиксированных малых размеров (около 60–80 нм).

Титан можно добавить в состав бронзовой матрицы или ещё до отжига внедрить в структуру ниобиевых волокон. Исследователи сравнили физические свойства сверхпроводящих материалов, полученных двумя разными способами, и выяснили, что критическая плотность тока, при которой сверхпроводимость исчезает, в этих двух случаях заметно отличается. Если титан добавлять в бронзовую матрицу, критическая плотность тока для полученного проводника составит 980 А/мм². При добавлении атомов титана к волокнам ниобия эта величина снижается до 780 А/мм². Исследование, проведённое при поддержке Президиума РАН, опубликовано в Журнале Сибирского федерального университета.

Физики изучили микрофотографии полученных структур. Если легирование титаном не проводится, то в материале сохраняются участки чистого ниобия, не прореагировавшего с оловом и хуже проводящего ток. Сами зёрна Nb3Sn в таких образцах неоднородны по размеру, что негативно влияет на сверхпроводник. Титан способствует образованию однородных зёрен Nb₃Sn при любом способе легирования, но если поместить его в матрицу вместе с оловом, а не в ниобиевые волокна, то положительный эффект выражен сильнее.

Авторы отмечают, что даже самые лучшие из полученных ими в эксперименте образцов содержат участки чистого ниобия, не вступившего в реакцию с оловом. Это значит, что достигнутые значения критического тока не являются предельными и ещё могут быть улучшены.

«Полученные в работе результаты показывают направление совершенствования технологии изготовления многоволоконных проводников», – заключают учёные.

Первоисточник информации:

И.Л. Дерягина, Е.Н, Попова, Е.Г. Захаревская, Е.П. Романов, А.Е. Воробьева, Е.А, Дергунова, С.М. Балаев. Влияние способа легирования и геометрии композита на структуру нанокристаллических слоёв Nb₃Sn в сверхпроводящих композитах Nb/Cu-Sn. – Журнал Сибирского федерального университета. Серия: математика и физика. – 2011. – том 4. – № 2.