ПРОГРАММА

курса лекций "ПРИКЛАДНАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ" для факультета высоких технологий Ростовского госуниверситета (направление "Нанотехнологии")

СОСТАВИТЕЛЬ: к. ф. - м. н. И. А. Паринов

Курс "Прикладная сверхпроводимость" является введением в эту чрезвычайно интересную и необычную область современного материаловедения. Основное внимание уделяется рассмотрению физических идей, моделей и методов, используемых для объяснения явления сверхпроводимости и эффектов, влияющих на структурно-чувствительные свойства сверхпроводников. Это делает курс, по возможности, предельно наглядным. Курс построен таким образом, что для его понимания необходимы лишь самые общие представления из области квантовой механики, термодинамики, электродинамики и механики деформируемого твердого тела. В связи с этим наиболее сложные вопросы излагаются лишь качественно. Основное внимание в курсе уделено высокотемпературным сверхпроводникам. В рамках курса также рассматриваются проблемы физики сверхпроводящих материалов, "экзотических" сверхпроводников и практического использования сверхпроводимости в науке и технике. Данный курс лекций может служить доаолнением к курсам лекций, читаемым в Московском госуниверситете по явлению сверхпроводимости (www.chem.msu.su/rus/teaching/vtsp/welcome.html) и по физике сверхпроводимости (www.hsms.msu.ru/old/course-phys7.shtml)). В связи с вступлением России в Болонский процесс, который предполагает унификацию высшего образования в Европе и широкое использование в обучении и преподавании английского языка, в списке дополнительной литературы представлены также книги и учебники по сверхпроводимости на английском языке. Кроме того, дан список ведущих мировых Интернет-сайтов, на которых имеется широкая информация о монографиях и журналах по сверхпроводимости и родственным проблемам. Объём курса - 40 лекционных часов. Распределение часов по разделам курса указано в программе.

Разделы курса

ВВЕДЕНИЕ (лекция - 1 час)
Историческая справка. Открытие сверхпроводимости. Основные этапы развития исследований. Прогнозы применения сверхпроводимости.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ (лекции - 4 часа)
Критическая температура. Критическое магнитное поле. Критический ток. Правило Силсби. Джозефсоновские эффекты. Эффект Мейсснера. Изотопический эффект. Глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Длина когерентности. Пиппардовский и Лондоновский пределы. Двухжидкостная модель Гортера - Казимира. Сверхпроводники 1-го рода. Магнитные свойства. Физический смысл векторов В и Н. Уравнения Максвелла для вектора В. Промежуточное состояние. Размагничивающий фактор. Сверхпроводники 2-го рода. Первое, второе и третье критические поля. Энтропия. Теплоемкость. Теории сверхпроводимости. Вихри Абрикосова. Флюксоид. Квант потока. Смешанное состояние. Легирование купратов. Влияние давления. Анизотропия свойств высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Определение и значения критических параметров для различных сверхпроводящих систем. Пиннинг магнитного потока. Взаимодействие флюксоидов с центрами пиннинга. Столбчатые дефекты. Эффект близости. Слабые связи Джозефсоновского типа.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВТСП (лекции - 4 часа)
Лантановые, иттриевые, висмутовые, ртутные и таллиевые сверхпроводящие купраты. Их композиция и свойства. Пленки и провода YBCO. Метод вакуумного соиспарения. Лазерное испарение. Магнетронное распыление. Химическое осаждение. Цели разработки и получения пленок и проводов с высокими полезными свойствами. Методы получения прекурсорных порошков. Пленки, ленты и провода BSCCO. Преимущества и недостатки различных гехнологий получения порошков. Различные методы получения пленок и лент. Температурные режимы. Технология "Оксидный порошок в трубке". Длительность обжига. Прокатка и прессование. Материал оболочки. Легирующие добавки. Модифицированные технологии. Пленки и провода на основе таллиевых и ртутных купратов. Объемные образцы BSCCO. Объемные образцы Y(RE)BCO. Перитектическое превращение. Методы кристаллизации из расплава. Температурные режимы. Технологии введения кристаллитов-затравок из РЗЭ. Проблема углерода. Пиннинг магнитного потока. Плотность материала. Интеркристаллитные границы. Температура сверхпроводящего перехода. Плотность критического тока. Влияние добавок.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВТСП (лекции - 3 часа)

Экспериментальные методы исследования электромагнитных, микроструктурных и механических свойств. Структура интеркристаллитных границ и их электромагнитные свойства. Модели "кирпичной стены" и "железнодорожных стрелок" Классификация дефектов. Дислокационные структуры. Ленты BSCCO/Ag. Влияние деформации на сверхпроводящие свойства. Прокатка и прессование. Линии необратимости в BSCCO. Объемные образцы BSCCO. Размер зерна. Добавки и волокна. Механизмы упрочнения. Системы Y(RE)BCO, получаемые из расплава. Особенности микроструктуры. Процессы роста в затравленном образце. Структура интеркристаллитных границ. Поведение дисперсной фазы 211(422). Эффекты легирующих добавок. Электромагнитные и сверхпроводящие свойства. Механические и прочностные свойства.

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ BSCCO И YBCO (лекции - 4 часа)

Превращение фазы Bi-2212 в Bi-2223. Воздействие деформации. Получение лент

BSCCO/Ag. Текстурирование образца внешним магнитным полем. Деформации при

остывании ленты. Эффекты механического нагружения. Параметр свободы.Линия

совместности деформаций. Кристаллизация фазы 123 из расплава. Гетерогенный

механизм. Диффузии иттрия в расплаве. Интерфейсные явления. Схемы захвата

частиц 211 растущим фронтом. Ламелеобразный рост фазы 123. Кинетика

кристаллизации. Метод фазовых областей. Напряженно-деформированное состояние

ВТСП при действии магнитного поля.

КРАТКОЕ ВВЕДЕНИЕ В МЕХАНИКУ РАЗРУШЕНИЯ (лекции - 2 часа)
Основные понятия и модели механики разрушения. Упругое, пластическое и вязкое

разрушение. Три моды разрушения. Модели Гриффитса, Ирвина, Баренблатта-

Дагдейла. Удельная энергия разрушения. Коэффициенты интенсивности напряжений.

Вязкость разрушения. Скорость освобождения энергии деформации. Транс- и

интеркристаллитное разрушение. J-интеграл. R-кривая. T-кривая. Критерии

разрушения.

7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВТСП (лекции - 5 часов)
Критерии пластичности и законы течения. Ассоциированная и неассоциированная

пластичность Кривая пластичности в плоскости "s-t" и ассоциированный критерий

пластичности. Углы дилатации и внутреннего трения. Поверхность нагружения в

случае неассоциированной пластичности. Превращение пор при длительном спекании

образца. Что показывают эксперименты? Феноменологическая модель отрыва поры

от интеркритсаллитной границы. Критический размер отрывающейся поры.

Формирование микроструктуры ВТСП при нагревании. Моделирование

распространения фронта спекания. Моделирование формирования микроструктуры в

окрестности распространяющегося фронта.. Усадка. Вторичная рекристаллизация.

Температурные напряжения. Микрорастрескивание интеркристаллитных границ при

остывании. Моделирование макротрещин. Число реализаций статистического

процесса.

8. РАЗРУШЕНИЕ ВТСП И МЕХАНИЗМЫ ИХ УПРОЧНЕНИЯ (лекции – 7 часов)
Микротрещины вокруг частиц 211 в матрице 123. Критерий микрорастрескивания в

плоскости ab. Последующее разрушение при внешних воздействиях. Зона

микрорастрескивания вблизи макротрещины. Совместные эффекты спонтанного

растрескивания при остывании и зоны микрорастрескивыания. Взаимодействие

полубесконечной трещины с коллинеарной микротрещиной. Ветвление

развивающихся трещин. Образование и разрушение мостиков за фронтом трещины.

Критические параметры длины трещины и приложенного напряжения. Качественные

тенденции в изменении вязкости разрушения и приложенного напряжения в

зависимости от длины трещины. Три типа связей-мостиков и их влияние на вязкость

разрушения. Оптимальная стратегия получения ВТСП с максимальным

сопротивлением разрушению. Процессы двойникования в ВТСП. Эффекты хрупких

включений. Отклонение трещины от прямолинейности. Сковывание трещины

частицами. Влияние периодического массива включений на приращение

трещиностойкости. Малоцикловая усталость и эффекты микроструктурного

несоответствия. Изменение энергии разрушения. Эффекты пластических включений.

Влияниее углерода на разрушение ВТСП. Медленный и быстрый равновесный рост

трещины. Устойчивый рост трещины.

9. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ В ВТСП-КОМПОЗИТАХ (лекции - 3 часа)

Джозефсоновские переходы. Разрушение интерфейсов. Параметры Дандерса. Тонкие

пленки на подложках. Краевые переходы. Поперечное разрушение слоистых

композитов. ВТСП-системы типа S-N-S. Механизмы упрочнения ВТСП-композитов.

Оценка общего сопротивления разрушения в силовом и энергетическом подходах.

Карты материальных свойств и разрушения.

10. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ СВОЙСТВА ВТСП

(лекции - 3 часа)

Модели интеркристаллитных дислокаций. Вихревые структуры и линии тока в ВТСП

с дефектами. Гранулярность образца вводимая магнитным полем. Нелинейный ток в

дефектных сверхпроводниках. Перколяция тока в проводах YBCO и в лентах

BSCCO/Ag. Старение при механических воздействиях. Моделирование эффективной

электропроводности с учетом микроструктурных элементов. Корреляции между

микроструктурой, сопротивлением разрушению и токонесущей способностью у

различных ВТСП-систем.

11. ЭКЗОТИЧЕСКИЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ (лекции - 2 часа)
Органические сверхпроводники. Соединения типа А-15. Магнитные

сверхпроводники. Сверхпроводники на основе углерода. Сверхпровдящие тяжелые

фермионы. "Старые" оксидные сверхпроводники. Редкоземельные борокарбиды.

Новый сверхпроводник MgB₂.

12. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ (лекции - 2 часа)
Техника. Микроэлектроника, ЭВМ. Транспорт. Системы электромеханического

запуска. Левитирующие системы и сверхпроводящие подвесы. Электродвигатели.

Высокоскоростные поезда. Электромобили. Быстроходные суда. Медицина.

Приборостроение. Квантовые интерферометры, сверхпроводящие вольтметры,

болометры. Сильноточная энергетика. Термоядерные реакторы. Сверхпроводящие

линии передач. Устройства накопления, преобразования и сохранения энергии.

Литература

И. А. Паринов. Микроструктура и свойства высокотемпературных сверхпроводников. Ростов-на-Дону: РГУ, 2004.
Н. М. Плакида. Высокотемпературная сверхпроводимость. М.: Наука, 1996.
В. В. Шмидт. Введение в физику сверхпроводников. – 2-е изд. М.: МЦМНО, 2000.

Дополнительная литература:

1. Б. Буккель. Сверхпроводимость. М.: Мир, 1975.

2. П. де Жен. Сверхпроводимость металлов и сплавов. М.: Мир, 1968.

И. О. Кулик, И. К. Янсон. Эффект Джозефсона в серхпроводящих структурах. 1970.
Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Теоретическая физика. Т. V. Статистическая физика. Ч.I. - 5-е изд. М.: Физматлит, 2001.
Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Теоретическая физика. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. - 4-е изд. М.: Физматлит, 2001.
Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Л. П. Питаевский. Теоретическая физика: Т. IX. Статистическая физика. Ч. 2. Теория конденсированного состояния. - 2-е изд. М.: Физматлит, 2000.
Э. Линтон. Сверхпроводимость. М.: Мир, 1971.
К. К. Лихарев, Б. Т. Ульрих. Системы с Джозефсоновскими переходами. Основы теории. М.: МГУ. 1978.
И. А. Паринов. Микроструктурные аспекты прочности и разрушения высокотемпературных сверхпроводников

www.math.rsu.ru/niimpm/strl/p62/p62.htm. 2003.

Дж. Райс. Математические методы в механике разрушения // Разрушение. Т. 2. Математические основы теории разрушения / Ред. Г. Либовиц. М.: Мир. 1975.
А. Роуз-Инс, Е. Родерик. Введение в физику сверхпроводимости. М.: Мир, 1964.
М. П. Ткаченко. Сверхпроводимость и сверхтекучесть. Учебное пособие для студентов МГУ. Протвино, 1993.
Ю. М. Ципенюк.Физические основы сверхпроводимости. М.: МФТИ, 2003.
Г. П. Черепанов. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука. 1974.
К. Л. Чопра. Электрические явления в тонких пленках. М.: Мир. 1972.
A. A. Abrikosov. Fundamental Theory of Metals. North Holland, 1988.
Anisotropy Effects in Superconductors // New York: Plenum Press / Ed. H. W. Weber, 1977.
N. N. Bogoluibov, V. V. Tolmachev, D. V. Shirkov. A New Method in the Theory of Superconductivity. New York: Consultant Bureau, 1959.
P. Brusov. Mechanisms of High-Temperature Superconductivity. Rostov State University, Rostov-on-Don, 1999.
M. Cyrot, D. Pavuna. Introduction to Superconductivity and High-T_c Materials. Singapore: World Scientific, 1992.
I. D. Doss. Engineers’ Guide to High-Temperature Superconductivity. New York: John Wiley, 1989
T. van Duzer, C, W. Turner. Principles of Superconductive Devices and Circuits. New York: Elsevier, 1981.
Earlier and Recent Aspects of Superconductivity // Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag / Eds. J. G. Bednorz, K. A. Müller, 1989.
Electronic Properties of High-T_c Superconductors // Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag / Eds. H. Kuzmany, M. Mehring, J. Fink, 1993
Electronic Properties of High-T_c Superconductors and Related Compounds // Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag / Eds. H. Kuzmany, M. Mehring, J. Fink, 1990.
S. Fujita, S. Godoy. Theory of High Temperature Superconductivity. Dordrecht: Kluwer Academic, 2001.
V. L. Ginzburg, E. A. Andruyshin. Superconductivity. Revised Edition. Singapore. World Scientific, 2004.
A. Gurevich, R. G. Mints, A. L. Rakhmanov. The Physics of Composite Superconductors. Begell House, New York, 1997.
High-Temperature Superconductivity // New York: Plenum Press / Eds. V. L. Ginzburg, D. A. Kirzhnits, 1982.
R. P. Huebener. Magnetic Flux Structures in Superconductors. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2 Ed.), 2001.
Interfaces in Superconducting Systems // New York: Springer / Eds. S. I. Shinde, D. Rudman, 1994.
J. B. Ketterson, S. N. Song. Superconductivity. Cambridge: Cambridge University Press, 1999.
V. Z. Kresin, S. A. Wolf. Fundamentals of Superconductivity. New York: Plenum Press, 1990.
C. G. Kuper. Introduction to the Theory of Superconductivity. Oxford: Clarendon Press, 1968.
L.-P. Lèvy. Magnetism and Superconductivity. Heidelberg: Springer-Verlag, 2000.
F. London. Superfluids. New York: Wiley, 1950.
Macroscopic Quantum Phenomena and Coherence in Superconducting Networks // Singapore: World Scientific / Eds. C. Giovannella, M. Tinkham, 1995.
Microscopic Structure and Dynamics of Vortices in Unconventional Superconductors and Superfluids // Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag / Eds. R. P. Huebener, N. Schopohl, G. E. Volovik, 2001.
A. Mourachkine High-Temperature Superconductivity in Cuprates. The Nonlinear Mechanism and Tunneling Measurements. Dordrecht: Kluwer Academic. 2002.
M. Murakami Melt Processed High-Temperature Superconductors. Singapore: World Scientific, 1992.
The New Superconducting Electronics // Dordrecht: Kluwer / Eds. H. Weinstock, R. W. Ralston, 1993.
Nonequilibrium Superconductivity // London: Elsevier / Eds. D. V. Lavgenberg, A. I. Larkin, 1986.
Nonequilibrium Superconductivity and Kapitza Boundaries // New York: Plenum Press / Ed. K. Gray, 1981.
Organic Superconductors // New York: Marcel Dekker / Ed. J. P. Farges, 1994.
R. D. Parks. Superconductivity. New York: Marcel Dekker, 1969.
Physical Properties of High-Temperature Superconductors // Singapore: World Scientific / Ed. D. Ginzberg, 1994.
The Physics and Chemistry of Organic Superconductors // Berlin: Springer-Verlag / Eds. G. Saito, S. Kagoshima, 1990.
Physics of High-Temperature Superconductors // Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag / Eds. S. Maekawa, M. Sato, 1992.
C. P. Poole, T. Datta, H. A. Farach, et al. Copper Oxide Superconductors, John Wiley & Sons, 1988.
C. P. Poole, H. A. Farach, R. J. Creswick. Superconductivity. San Diego: Academic Press, 1995.
G. Rickayzen. Theory of Superconductivity. New York: John Wiley & Sons, 1965.
D. Saint-James, G. Sarma, E. J. Thomas. Type II Superconductivity. New York: Pergamon Press, 1969.
V. V. Schmidt The Physics of Superconductors // Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag / Eds. P. Müller, A. V. Ustinov. 1997.
J. R. Schrieffer. Theory of Superconductivity. New York: Benjamin Inc., 1964.
Selected Topics in Superconductivity // Singapore: World Scientific / Eds. L. C. Gupta, M. S. Multani, 1993.
D. Shoenberg. Superconductivity. Cambridge: Cambridge University Press, 1952.
K. N. Shrivastava Superconductivity. Elementary Topics. Singapore: World Scientific, 2000.
E. Simanek. Inhomogeneous Superconductors. Oxford: Oxford University Press, 1994.
R. Simon, A. Smith. Superconductors – Conquering Technology’s Frontier. New York: Plenum Press, 1988.
L. Solymar Superconductive Tunneling and Applications. London: Chapman and Hall, 1972.
Strong Correlation and Superconductivity // Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag / Eds. H. Fukuyama, S. Maekawa, A. P. Malozemoff, 1989.
Strongly Interacting Fermions and High T_c Superconductivity // London: Elsevier / Eds. Douçot, J. Zinn-Justin, 1995.
Superconducting Quantum Electronics // Berlin: Springer-Verlag / Ed. V. Kose, 1989.
Superconductivity in Magnetic and Exotic Materials // Berlin, New York: Springer-Verlag / Eds. T. Matsubara, A. Kotani, 1984.
Superconductivity in Ternary Compounds I. Structural Electronic and Lattice Properties // Berlin: Springer-Verlag / Eds. O. Fisher, M. B. Maple, 1982.
Superconductivity in Ternary Compounds II Superconductivity and Magnetism // Berlin: Springer-Verlag / Eds. O. Fisher, M. B. Maple, 1982.
Superconductor Applications: SQUIDs and Machines // New York: Plenum Press /Eds. B. B. Schwartz, S. Foner, 1977.
Theory of Heavy Fermions and Valence Fluctuations // Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag / Eds. T. Kasuya, T. Saso, 1985.
D. R. Tilley, J. Tilley. Superfluidity and Superconductivity. Bristol: Adam Hilger, 1990.
M. Tinkham. Introduction to Superconductivity. New York: McGraw-Hill (2 Ed.), 1996.
P. Tixador. Supraconducteurs. Paris: Hermès, 1995.
H. Ullmaier. Irreversible Properties of Type II Superconductors Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1975.
Ultrasonics of High-T_c and Other Unconventional Superconductors // San-Diego: Academic Press / Ed. M. Levy, 1992.
S. V. Vonsovsky, Yu. A. Izyumov, E. Z. Kurmaev. Superconductivity of Transition Metals, Their Alloys and Compounds. Berlin: Springer-Verlag, 1982
J. R. Waldram. Superconductivity of Metals and Cuprates. Bristol: Institute of Physics, 1996.