Основные свойства высокотемпературных сверхпроводников

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2126 

Кафедра металлургии цветных, редких и благородных металлов

В.П. Тарасов 
О.Н. Криволапова 
Л.В. Дубынина 

Основные свойства 
высокотемпературных  
сверхпроводников 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением  
по образованию в области металлургии в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению Металлургия 

Москва  2011 

УДК 669.018 
 
Т19 

Р е ц е н з е н т  
чл.-кор. РАН Г.С. Бурханов 

Тарасов, В.П. 
Т19  
Основные свойства высокотемпературных сверхпроводников : учеб. пособие / В.П. Тарасов, О.Н. Криволапова, Л.В. Дубынина. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 26 с. 
ISBN 978-5-87623-528-2 

Учебное пособие представляет собой описание компьютеризированного 
комплекса, позволяющего проводить измерения параметров высокотемпературных сверхпроводящих материалов на современном уровне. Измерения 
проводятся в автоматизированном режиме под управлением персонального 
компьютера в операционной системе Windows. Учебное пособие позволяет 
углубить понимание явления сверхпроводимости, изучать свойства различных тонкопленочных структур, выполненных из высокотемпературных 
сверхпроводящих материалов.  
Предназначено для бакалавров при работе над курсовыми научноисследовательскими работами в рамках программ бакалавриата и будет полезно магистрам, аспирантам и научным сотрудникам, выполняющим работы 
исследовательского плана.  
УДК 669.018 

ISBN 978-5-87623-528-2 
© Тарасов В.П., 
Криволапова О.Н., 
Дубынина Л.В., 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Описание технологии получения сверхпроводимости  
материалов.................................................................................................5 
2. Магнитные свойства ВТСП материалов ............................................8 
3. ВТСП СКВИД магнитометрия..........................................................10 
4. Методики измерений характеристик ВТСП материалов................15 
4.1. Объект исследования...................................................................16 
4.2. Измерительный комплекс...........................................................16 
4.2.1. Измерение вольт-амперных характеристик ВТСП  
мостика при разных температурах................................................20 
4.2.2. Измерение сопротивления ВТСП мостика  
от температуры, определение критической температуры Тк  
и температурного интервала перехода ∆Т....................................21 
4.2.3. Измерение критического тока ВТСП мостика...................23 
4.2.4. Измерение вольт-амперных и вольт-полевых 
характеристик ВТСП СКВИДа .....................................................23 
Библиографический список...................................................................25 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов, в сверхпроводящее состояние могут переходить 
также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники. Существуют сверхпроводящие сплавы, в которых отдельные компоненты или даже все 
компоненты сплава сами по себе не являются сверхпроводниками. 
В основе теоретического объяснения явления сверхпроводимости 
заложено представление об образовании электронных куперовских 
пар (Купера эффект). В сверхпроводнике взаимодействие электронов 
друг с другом происходит в результате обменного фононного взаимодействия через кристаллическую решетку. Это означает, что 
сверхпроводимость должна наблюдаться у веществ, характеризующихся сильным взаимодействием электронов проводимости с ионами решетки кристалла и поэтому являющимися относительно плохими проводниками в обычных условиях. Если взаимодействие электронов с решеткой слабое (вещество – хороший проводник), то перехода в сверхпроводящее состояние зарегистрировать не удается 
(медь, серебро, золото). Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние. 
В настоящее время все вещества, переходящие в сверхпроводящее 
состояние, условно разделяют на две большие группы: низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. К низкотемпературным сверхпроводникам относят сверхпроводники, у которых 
критическая температура Тк = 25 К. К таким сверхпроводникам относятся некоторые металлы и сплавы, ряд полупроводников и интерметаллических соединений типа NbN, TaC. В 1986 г. были открыты высокотемпературные сверхпроводники, у которых Тк выше температуры жидкого азота, равной 77 К. К ним относятся сложные соединения – керамика на основе оксида меди (например, Tl2Ca2Ba2Cu3O10 
с Тк = 127 К) и другие оксидные сверхпроводники. 

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ 
СВЕРХПРОВОДИМОСТИ МАТЕРИАЛОВ 

В 1986 г. И. Беднорц и К. Мюллер обнаружили и описали явление 
сверхпроводимости у минералов из класса перовскитов при температуре 35 К. В дальнейшем класс перовскитов (оксидная керамика) 
стал изучаться более тщательно и в 1987 г. было найдено соединение 
иттрия, бария, меди и кислорода (YBа2Сu3O7), температура перехода 
в сверхпроводящее состояние у которого составляла 90 К. В настоящее время существует целый новый класс веществ (купраты различных металлов), сохраняющих сверхпроводящие свойства при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота (77 К). 
Сверхпроводимость при Т > 77,4 К называется высокотемпературной, а сами вещества – высокотемпературными сверхпроводниками 
(ВТСП). 
Явление сверхпроводимости (СП), открытое в 1911 г. голландским физиком Х. Камерлинг-Оннесом, заключается в переходе вещества при низких температурах в новое состояние, которое характеризуется отсутствием электрического сопротивления, выталкиванием 
магнитного поля (эффект Мейснера), а также аномалией тепловых и 
других свойств. С тех пор сверхпроводящие свойства при Т ≤ 23 К 
были обнаружены более чем у 20 металлов и большого количества 
соединений и сплавов.  
Через 46 лет после открытия явления сверхпроводимости в 1957 г. 
Д. Барден, Л. Купер и Р. Шриффер разработали микроскопическую 
теорию этого явления (теория БКШ). Согласно этой теории сверхпроводимость материалов с Тк ≤ 23 К объясняется появлением в веществе спаренных электронов (пары Купера), которые образуются 
благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Спариванию электронов благоприятствовало то, что 
при этом все вещество переходило в состояние с более низкой энергией. Все пары находятся с точки зрения квантовой механики в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми, так как имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, т.е. образуют единый сверхпроводящий Бозе – 
Эйнштейна конденсат, который не взаимодействует с кристаллической решеткой. Сверхпроводимость керамик ВТСП не имеет до настоящего времени полного теоретического объяснения и, возможно, 

объясняется взаимодействием электронов с какими-либо другими 
квазичастицами. 
Для некоторого упрощения можно рассматривать СП как смесь 
двух электронных жидкостей – нормальной и сверхпроводящей. 
Нормальная электронная жидкость имеет те же свойства, что и электроны в нормальном металле, а сверхпроводящая электронная жидкость течет без трения. Обе жидкости равномерно перемешаны по 
проводнику, причем доля куперовских пар зависит только от температуры. Когда металл охлаждается до появления первых куперовских 
пар, то металл начинает проявлять свойства СП. При охлаждении 
образца ниже критической температуры его сопротивление резко 
уменьшается и падает до нуля. Происходит это потому, что обычный 
проводник с данного момента эквивалентен электрической схеме из 
двух параллельно соединенных сопротивлений, одно из которых обратилось в ноль при «сверхпроводящем» переходе. Нулевое сопротивление как бы шунтирует цепь, и весь ток течет по сверхпроводящей ветви. Значит какова бы ни была плотность куперовских пар, 
если она есть, то мы не можем заметить нормальную ветвь и регистрируем только нулевое сопротивление на проводнике, т.е. состояние 
сверхпроводимости. При этом чем больше плотность куперовских 
пар, тем больший сверхпроводящий ток способна пропустить цепь. 
Величина Тк и ширина температурного перехода ∆Т являются важнейшими параметрами ВТСП образца. 
У СП существует критическая плотность тока Iк, выше которой 
пропадает свойство сверхпроводимости. Если по СП пропускать ток, 
то этот транспортный ток, так же как и для нормальных проводников, создает свое магнитное поле вокруг проводника, причем с увеличением тока растет и напряженность магнитного поля. Но если 
даже не пропускать по СП ток, а только помещать его во внешнее 
магнитное поле, то и это поле столь же разрушительно действует на 
сверхпроводник, как и транспортный ток по нему. По мере нарастания напряженности внешнего магнитного поля значения Тк и Iк 
уменьшаются. Когда напряженность поля становится больше некоторого значения, СП не может проводить ток даже при температурах, 
равных нулю. Такое поле называется максимальным критическим 
полем и обозначается Нк(0). 
Сочетание критических параметров – температуры Тк, поля Нк и 
транспортного тока Iк для конкретного СП – называется фазовой диаграммой СП и представляется поверхностью в координатах Т–Н–I 
(рис. 1.1). Фазовая поверхность отделяет область сверхпроводящих 

Рис. 1.1. Фазовая диаграмма сверхпроводящих материалов 

состояний от области нормальных состояний металла. Область существования сверхпроводящей фазы лежит под поверхностью. Ключевые свойства являются следствием минимизации энергии вещества в 
сверхпроводящем состоянии. Значения Тк, Iк и Нк – это значения, при 
которых уже энергетически выгоден распад куперовских пар и пропадание сверхпроводимости. 
За последние 40 лет сверхпроводники из объекта физических исследований превратились в практически используемые материалы. 
Появились новые области техники, где СП материалы используются 
для создания сверхсильных магнитных полей, для создания кабелей, 
способных передавать энергию без потерь, электрических генераторов и двигателей. Все большее значение приобретают СП в области 
слаботочной электроники и экранирования магнитных полей. 

2. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВТСП МАТЕРИАЛОВ 

По магнитным свойствам сверхпроводящие вещества разделяют 
на сверхпроводники первого и второго рода. При помещении сверхпроводника первого рода во внешнее магнитное поле оно выталкивается из объема сверхпроводника (т.е. магнитная индукция равна нулю внутри сверхпроводника) вплоть до некоторого критического 
значения внешнего магнитного поля Нк.м, при котором сверхпроводимость разрушается. 
Критическое поле Нк.м зависит от температуры Т, причем зависимость может быть описана следующим соотношением: Нк.м(Т) =  
= Нк.м(0)(1 – (Т/Тк)2), где Тк – температура сверхпроводящего перехода. 
Строго говоря, такая картина справедлива только для сверхпроводящего бесконечно длинного цилиндра с осью, ориентированной вдоль 
магнитного поля. Сверхпроводник конечных размеров в магнитном 
поле несколько меньшем Нк.м переходит в так называемое промежуточное состояние, т.е. разбивается на совокупность нормальных и 
сверхпроводящих областей в магнитном поле, превышающем значение Нк.м(1 – n), где n – размагничивающий фактор. Для бесконечного 
цилиндра в перпендикулярном магнитном поле n = 1/2, для шара  
n = 1/3. 
Иначе ведет себя во внешнем магнитном поле сверхпроводник 
второго рода. Магнитное поле выталкивается из объема массивного 
сверхпроводника второго рода, только если внешнее поле меньше 
некоторого значения Нк1, называемого первым критическим магнитным полем, а при превышении этого значения частично проникает в 
объем сверхпроводника. При этом вещество остается сверхпроводящим и находится в так называемом смешанном состоянии вплоть до 
значения внешнего магнитного поля Нк2, называемым вторым критическим магнитным полем, которое, как правило, значительно превышает Нк1. Проникновение магнитного поля в сверхпроводник второго рода происходит весьма своеобразно в виде вихревых нитей 
(вихрей Абрикосова). Каждая нить имеет сердцевину из вещества в 
нормальном (не сверхпроводящем) состоянии, вокруг которой течет 
незатухающий сверхпроводящий ток, так чтобы создаваемое им магнитное поле было направлено вдоль сердцевины по направлению 
внешнего магнитного поля. Каждый вихрь несет один квант магнитного потока, равный h/2e, где h – постоянная Планка, а е – заряд 
электрона. При этом, хотя магнитное поле большее Нк2 полностью 
проникает в объем сверхпроводника, в тонком приповерхностном 
слое сверхпроводимость сохраняется до значения магнитного поля 

Нк3, называемым третьим критическим магнитным полем, обычно 
равным 1,69Нк2. К сверхпроводникам первого рода относятся почти 
все чистые элементы (кроме переходных), а к сверхпроводникам 
второго рода сверхпроводящие сплавы и соединения и в том числе 
высокотемпературные сверхпроводники. 
Современные ВТСП материалы разделяются на керамические 
объемные материалы и монокристаллические пленочные материалы.  
Керамические материалы в сверхпроводящем состоянии состоят из 
гранул, связанных между собой связями типа джозефсоновских контактов. При понижении температуры сначала появляются отдельные 
сверхпроводящие гранулы, близко расположенные гранулы объединяются в сверхпроводящие кластеры, которые постепенно заполняют 
весь объем сверхпроводника. Для обращения сопротивления такой 
системы в нуль достаточно образования одного бесконечного кластера. Известно, что для образования такого кластера достаточно перехода в сверхпроводящее состояние около 15…20 % объема образца. В то 
же время для полного вытеснения магнитного поля из сверхпроводника весь объем должен находиться в сверхпроводящем состоянии, что 
достигается при существенно меньшей температуре. 
Проникновение магнитного поля в керамический сверхпроводник 
второго рода достаточно сложное явление. В случае, если сверхпроводник был охлажден ниже температуры сверхпроводящего перехода в отсутствии внешнего магнитного поля, магнитное поле, величина которого меньше Нк1 для всех гранул, полностью вытесняется из 
объема сверхпроводника (при условии односвязности образца). При 
последующем нагревании магнитное поле проникает в сверхпроводник, а величина проникновения показывает, какая часть объема перешла в нормальное состояние. При охлаждении сверхпроводника во 
внешнем магнитном поле даже магнитное поле значительно меньшее 
поля Нк1 для всех гранул не полностью вытесняется из объема сверхпроводника. Это связано, во-первых, с наличием пространства между 
гранулами, в котором магнитное поле замораживается после образования вокруг него кольца сверхпроводящих связей, а во-вторых, с 
силами пиннинга, которые препятствуют полному вытеснению вихрей Абрикосова. Поэтому результаты исследования магнитных 
свойств существенно зависят от последовательности измерений. Керамические ВТСП материалы применяются в сильноточной технике 
при изготовлении сверхпроводящих магнитных экранов, ВТСП лент, 
узлов сверхпроводящих электромоторов, магнитных накопителей 
энергии. Параметры ВТСП керамики существенно уступают монокристаллическим пленочным материалам, которые используются в 
первую очередь в слаботочной электронике. 

3. ВТСП СКВИД МАГНИТОМЕТРИЯ 

Одним из наиболее важных и широко применяемых сверхпроводниковых устройств является сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД), в основе работы которого лежат два физических явления – эффект квантования магнитного потока и стационарный 
эффект Джозефсона. Кратко их суть сводится к следующему. 
Квантование магнитного потока. Электрический ток в сверхпроводящем кольце может существовать неограниченно долго. При 
этом никакого источника не требуется, так как сопротивление кольца 
равно нулю. Создать такой ток можно следующим образом: поместить кольцо при температуре, большей критической, во внешнее 
магнитное поле так, чтобы силовые линии проходили через отверстие кольца. Затем понизить температуру, переведя тем самым кольцо в сверхпроводящее состояние, и выключить источник внешнего 
магнитного поля. В этот момент внешнее поле уменьшается и индуцирует по закону электромагнитной индукции Фарадея в кольце ток, 
препятствующий своим магнитным полем изменению внешнего поля. Из-за того что кольцо находится в сверхпроводящем состоянии, 
ток в нем не затухает и поддерживает магнитный поток в кольце на 
прежнем уровне. Действительно, время затухания тока имеет порядок L/R  (L – расстояние, по которому идет ток, R – сопротивление 
материала), а R в нашем случае равно нулю и такое затухание может 
продолжаться бесконечно долго. На первый взгляд кажется, что величина «замороженного» в кольце магнитного потока может быть 
любой. Но поставленные в 1961 г. эксперименты доказывают, что 
величина магнитного потока может быть кратна некоторой величине, 
которую назвали квантом магнитного потока Ф0 (Ф0 = 2,07⋅10–15 Вб). 
Она может быть выражена через фундаментальные константы и равна Ф0 = h/2e. 
Эффекты Джозефсона. Предсказанные в 1962 г., они вскоре были экспериментально обнаружены и проявляются в слабосвязанных 
сверхпроводниках. Под слабой сверхпроводимостью понимается такая ситуация, когда два сверхпроводника соединены между собой 
участком проводника, в котором сверхпроводящие свойства значительно ослаблены. Таким слабосвязанным участком может быть туннельный переход, тонкопленочное сужение или просто слабое касание двух сверхпроводников на малой площади. Различают два эффекта Джозефсона: стационарный и нестационарный. Стационарный 

эффект Джозефсона заключается в том, что при пропускании достаточно малого тока через слабую связь сверхпроводников он протекает без сопротивления, даже если самая слабая связь сделана не из 
сверхпроводящего материала, например, в туннельном переходе – из 
изолятора. Здесь мы сталкиваемся с важнейшим свойством сверхпроводника – когерентным поведением его электронов. С помощью 
слабой связи электроны в двух сверхпроводниках объединились в 
единый квантовый коллектив. В результате все электроны описываются общей волновой функцией. При этом слабая связь не должна 
сильно изменить волновые функции СП с двух сторон связи по сравнению с тем, какими они были до установления связи. Нестационарный эффект Джозефсона наблюдается, когда протекающий ток через слабую связь настолько велик, что вызывает падение напряжения. Такой ток называется критическим током джозефсоновского 
перехода. При этом падение напряжения кроме постоянной будет 
иметь еще переменную составляющую, осциллирующую с угловой 
частотой ω, причем hω = 2eU, где U – постоянная составляющая напряжения на переходе. 
Сверхпроводящие устройства, в которых наблюдаются эффекты 
Джозефсона, называются джозефсоновскими переходами, которые 
обычно представляют собой специально приготовленные ВТСП мостики шириной порядка 1 мкм и толщиной 0,1…0,2 мкм.  
В большинстве случаев вольт-амперная характеристика (ВАХ) 
джозефсоновского перехода может быть описана в рамках простой 
модели:  

 
U = 0 при ⎢I ⎢ < Iк;  

 
U = (I2 – Iк
2 )1/2 Rн при ⎢I ⎢ ≥ Iк,  

где Iк – критический ток перехода;  
Rн – нормальное сопротивление перехода.  

Величины Iк и Rн являются основополагающими характеристиками джозефсоновского перехода, а их произведение Uк = Iк Rн называется характеристическим напряжением. 
Внешнее постоянное магнитное поле В также значительно влияет 
на ВАХ джозефсоновского перехода. При увеличении внешнего магнитного поля В величина Iк изменяется пропорционально sin(x)/x, где 
х = В/В0, а В0 соответствует магнитному потоку в переходе, равному 
кванту магнитного потока Ф0.