КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА

Обычные ВТСП-материалы, получаемые методом твердофазного синтеза, представляют собой керамику, в которой микроскопические кристаллиты ВТСП-фазы разориентированы в пространстве друг относительно друга и слабо связаны между собой ("сверхпроводящее стекло"). Проку от такого материала для "левитации" мало, поскольку в нем очень невысока плотность критического тока, а значит, мало и магнитное поле, удерживающее левитирующий" магнит. Сверхпроводящие локи, над которыми висел в воздухе чемпион Страны восходящего солнца, имели сложную микроструктуру. Исследователь, вооруженный микроскопом, мог бы обнаружить много очень интересных и совсем не случайных особенностей при различных увеличениях: макро-, мезо- и микроуровни структуры.

Каким же способом создана такая многоуровневая, сложная "архитектоника"
материала? Почти единственный путь получения микроструктуры— кристаллизация расплава, так как в нем скорость диффузии компонентов гораздо выше, чем в твердом теле. Кроме того, из-за относительно малой вязкости расплава возможна "подстройка" формирующихся анизотропных кристаллитов друг относительно друга, как совпадающих частей мозаики. Все это вместе и создает предпосылки для образования оптимальной микроструктуры ВТСП-материала. Ансамбли псевдомонокристаллических доменов, размер которых может достигать 0.5 - 5 см, являются основным мотивом микроструктуры в случае крупнокристаллической ВТСП-керамики полученной из расплава. Каждый домен является агрегатом ламелей (5-50 нм) фазы RBa₂Cu3O_z. Пластинки ориентированы параллельно друг другу и разделены малоугловыми границами, что делает их проницаемыми для протекания тока. Микроструктура ВТСП-керамики, текстурированной с использованием асплавных методов, характеризуется существованием различных типов протяженных эефектов, таких как двойниковые раницы, высокодисперсные включения несверхпроводящих фаз, дислокации, микро- и макротрещины, связанные с высокой хрупкостью фаз RBa₂Cu3O_z. Таким образом, реальная структура ВТСП-керамики, полученной из расплава, может быть рассмотрена как система с ярко выраженными “коллективными” сверхпроводящими свойствами, являющимися результатом специфических механизмов кристаллизации. Псевдомонокристаллические домены образуют макроскопические агрегаты, через которые потенциально могут протекать большие токи, поскольку микроструктурно они представляют собой систему с чистыми сверхпроводящими границами и двуосно- текстурированными кристаллитами. Большое количество дефектов способствует образованию системы эффективных центров пиннинга.

Прошло более пяти лет с момента, когда в семействе купратных сверхпроводников, содержащих РЗЭ, заявил о себе новый лидер - Ndl23. Его не открывали заново, просто он сам приоткрыл новые грани своих возможностей. Казалось бы, изменение ионного радиуса РЗЭ всего на 10% (в сравнении с классическим ВТСП - Y123) не способно внести радикальных изменений в характеристики. Однако, только не в случае Ndl23. Технически основное преимущество Ndl23 — в наличии аномального пик-эффекта, состоящего в значительном усилении внутризеренных токов за счет образования эффективных центров пиннинга, начинающих работать при температуре жидкого азота в полях порядка единиц Тесла. А именно этот диапазон полей представляет интерес для многих возможных технических применений ВТСП (маглевы, маховики- аккумуляторы электрической энергии и т.д). Это обстоятельство одновременно с успехом в разработке воспроизводимой лабораторной технологии получения Ndl23 всколыхнуло новую волну интереса к ВТСП как практически значимого материала. Отчасти, интерес был подогрет японскими исследователями, которые имеют патент именно на этот ВТСП состав и способ его получения (OCMG - Oxygen-Controlled-Melt- Growth). Известно, что предыдущий лидер, Y123, опутан американскими патентами. Отсюда - специфический коммерческий интерес японцев именно к неодимовому составу. Тем не менее, факт остается фактом - только на Ndl23 удалось к настоящему времени химическими методами добиться результатов, сопоставимых по эффекту с воздействием громоздких, дорогих и труднодоступных методов физического формирования центров пиннинга (например, путем облучения нейтронами или ионной бомбардировкой). Даже давно витавшая в воздухе “химическая” идея создания дефектов структуры путем сведения в Y123 оксида урана и последующего внутреннего облучения сверхпроводящей матрицы при его распаде оказалась неэффективна без последующего облучения нейтронами. Дополнительными преимуществами фазы Ndl23 являются также ее более высокая химическая стабильность и более высокая скорость кристаллизации (при незначительном - по сравнению с иттрием -увеличением стоимости РЗЭ).

Новые центры пиннинга в Ndl23 формируются в процессе расслаивания пересыщенного твердого раствора. На первых этапах этого процесса в сверхпроводящей матрице возникают нанофлуктуации состава, так называемые химические “волны” отношения концентраций Nd/Ba без образования гетерогенных границ. В результате в основной сверхпроводящей матрице образуются гомогенно распределенные когерентно сросшиеся с ней участки твердых растворов с иным химическим составом. Такие участки обладают достаточной протяженностью и могут выступать во внешнем магнитном поле как эффективные центры пиннинга.

При ненулевом магнитном поле сверхпроводимость в них резко подавляется, вызывая пик-эффект. Благодаря этим новым типам пиннинга линия необратимости в образцах Ndl23 смещается в магнитные поля выше 8Тл при 77К (рекордное значение для сверхпроводников R 123-типа).