stringtranslate.com

Диборид магния

Диборид магния — неорганическое соединение магния и бора с формулой MgB2 . Это тёмно-серое, нерастворимое в воде твёрдое вещество. Соединение привлекло внимание, поскольку становится сверхпроводящим при 39 К (−234 °C). По своему составу MgB2 разительно отличается от большинства низкотемпературных сверхпроводников, которые в основном содержат переходные металлы. Его сверхпроводящий механизм в первую очередь описывается теорией БКШ .

Сверхпроводимость

Сверхпроводящие свойства диборида магния были обнаружены в 2001 году. [1] Его критическая температура ( T c ) 39 К (−234 °C; −389 °F) является самой высокой среди обычных сверхпроводников . Среди обычных ( фононных ) сверхпроводников он необычен. Его электронная структура такова, что на уровне Ферми существуют два типа электронов с сильно различающимся поведением, один из них ( сигма-связь ) является гораздо более сверхпроводящим, чем другой ( пи-связь ). Это противоречит обычным теориям фононной сверхпроводимости, которые предполагают, что все электроны ведут себя одинаково. Теоретическое понимание свойств MgB 2 было почти достигнуто путем моделирования двух энергетических щелей. В 2001 году его считали ведущим себя скорее как металлический, чем как купратный сверхпроводник . [2]

Полумейсснеровское состояние

Используя теорию БКШ и известные энергетические щели pi- и sigma-зон электронов (2,2 и 7,1 мэВ соответственно), было обнаружено, что pi- и sigma-зоны электронов имеют две различные длины когерентности (51 нм и 13 нм соответственно). [3] Соответствующие лондоновские глубины проникновения составляют 33,6 нм и 47,8 нм. Это означает, что параметры Гинзбурга-Ландау составляют 0,66±0,02 и 3,68 соответственно. Первый меньше 1/ √ 2 , а второй больше, поэтому первый, по-видимому, указывает на предельную сверхпроводимость I типа, а второй — на сверхпроводимость II типа.

Было предсказано, что когда две различные полосы электронов дают две квазичастицы, одна из которых имеет длину когерентности, которая будет указывать на сверхпроводимость I типа, а другая — на сверхпроводимость II типа, то в определенных случаях вихри притягиваются на больших расстояниях и отталкиваются на малых расстояниях. [4] В частности, потенциальная энергия между вихрями минимизируется на критическом расстоянии. Как следствие, существует предполагаемая новая фаза, называемая полумейсснеровским состоянием , в которой вихри разделены критическим расстоянием. Когда приложенный поток слишком мал для того, чтобы весь сверхпроводник был заполнен решеткой вихрей, разделенных критическим расстоянием, то существуют большие области сверхпроводимости I типа, мейсснеровское состояние, разделяющее эти домены.

Экспериментальное подтверждение этой гипотезы недавно было получено в экспериментах с MgB2 при 4,2 Кельвина. Авторы обнаружили, что действительно существуют режимы с гораздо большей плотностью вихрей. В то время как типичное изменение расстояния между вихрями Абрикосова в сверхпроводнике II типа составляет порядка 1%, они обнаружили изменение порядка 50%, что соответствует идее о том, что вихри собираются в домены, где они могут быть разделены критическим расстоянием. Для этого состояния был придуман термин сверхпроводимость типа 1,5 .

Синтез

Диборид магния был синтезирован, и его структура была подтверждена в 1953 году. [5] Самый простой синтез включает высокотемпературную реакцию между порошками бора и магния . [2] Формирование начинается при 650 °C; однако, поскольку металлический магний плавится при 652 °C, реакция может включать диффузию паров магния через границы зерен бора. При обычных температурах реакции спекание минимально, хотя рекристаллизация зерен достаточна для квантового туннелирования Джозефсона между зернами. [ необходима цитата ]

Сверхпроводящая проволока из диборида магния может быть получена с помощью процессов «порошок в трубке» (PIT) ex situ и in situ . [6] В варианте in situ смесь бора и магния уменьшается в диаметре путем обычного волочения проволоки . Затем проволока нагревается до температуры реакции для образования MgB2 . В варианте ex situ трубка заполняется порошком MgB2 , уменьшается в диаметре и спекается при температуре от 800 до 1000 °C. В обоих случаях последующее горячее изостатическое прессование при температуре около 950 °C дополнительно улучшает свойства. [ необходима цитата ]

Альтернативная технология, раскрытая в 2003 году, использует реактивную жидкую инфильтрацию магния внутрь гранулированной заготовки из порошков бора и была названа технологией Mg-RLI. [7] Метод позволяет производить как высокоплотные (более 90% от теоретической плотности для MgB2 ) объемные материалы, так и специальные полые волокна. Этот метод эквивалентен аналогичным методам, основанным на росте расплава, таким как метод инфильтрации и обработки роста, используемый для изготовления объемных сверхпроводников YBCO, где несверхпроводящий Y2BaCuO5 используется в качестве гранулированной заготовки, внутрь которой инфильтруются жидкие фазы на основе YBCO для получения сверхпроводящего объема YBCO. Этот метод был скопирован и адаптирован для MgB2 и переименован в реактивную жидкую инфильтрацию Mg. Процесс реактивной жидкой инфильтрации Mg в заготовку бора для получения MgB2 был предметом патентных заявок итальянской компании Edison SpA [ необходима цитата ]

Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы (HPCVD) является наиболее эффективным методом осаждения тонких пленок диборида магния (MgB 2 ). [8] Поверхности пленок MgB 2 , осажденных другими технологиями, обычно грубые и нестехиометрические . Напротив, система HPCVD может выращивать высококачественные in situ чистые пленки MgB 2 с гладкими поверхностями, которые требуются для создания воспроизводимых однородных переходов Джозефсона , фундаментального элемента сверхпроводящих цепей.

Электромагнитные свойства

Свойства сильно зависят от состава и процесса изготовления. Многие свойства анизотропны из-за слоистой структуры. «Грязные» образцы, например, с оксидами на границах кристаллов, отличаются от «чистых» образцов. [9]

Улучшение с помощью допинга

Различные способы легирования MgB2 углеродом (например, с использованием 10% яблочной кислоты ) могут улучшить верхнее критическое поле и максимальную плотность тока [10] [11] (также с поливинилацетатом [12] ).

5% легирование углеродом может повысить H c2 с 16 до 36 Тл, при этом понизив T c только с 39 К до 34 К. Максимальный критический ток ( J c ) уменьшается, но легирование TiB 2 может уменьшить снижение. [13] (Легирование MgB 2 Ti запатентовано. [14] )

Максимальный критический ток ( Jc ) в магнитном поле значительно увеличивается (примерно вдвое при 4,2 К) при легировании ZrB2 . [ 15 ]

Даже небольшие количества легирования переводят обе полосы в режим типа II, и поэтому нельзя ожидать полумейсснеровского состояния.

Теплопроводность

MgB 2 является многозонным сверхпроводником, то есть каждая поверхность Ферми имеет различную сверхпроводящую энергетическую щель. Для MgB 2 сигма-связь бора является сильной и индуцирует большую s-волновую сверхпроводящую щель, а пи-связь является слабой и индуцирует малую s-волновую щель. [16] Квазичастичные состояния вихрей большой щели сильно ограничены ядром вихря. С другой стороны, квазичастичные состояния малой щели слабо связаны с ядром вихря. Таким образом, они могут быть делокализованы и легко перекрываться между соседними вихрями. [17] Такая делокализация может вносить значительный вклад в теплопроводность , которая показывает резкое увеличение выше H c1 . [16]

Возможные применения

Сверхпроводники

Сверхпроводящие свойства и низкая стоимость делают диборид магния привлекательным для различных применений. [18] [19] Для этих применений порошок MgB 2 прессуется с серебряным металлом (или нержавеющей сталью 316) в проволоку, а иногда и ленту с помощью процесса «порошок в трубке» .

В 2006 году была построена открытая сверхпроводящая магнитная система МРТ 0,5 Тесла с использованием 18 км проводов MgB 2. Эта МРТ использовала замкнутый контур криоохладителя , не требуя внешних криогенных жидкостей для охлаждения. [20] [21]

«... приборы МРТ следующего поколения должны быть изготовлены из катушек MgB 2 вместо катушек NbTi , работающих в диапазоне 20–25 К без жидкого гелия для охлаждения. ... Помимо применения в магнитах, проводники MgB 2 потенциально могут использоваться в сверхпроводящих трансформаторах, роторах и кабелях передачи при температурах около 25 К и полях 1 Тл». [19]

Проект ЦЕРНа по производству кабелей MgB 2 привел к созданию сверхпроводящих тестовых кабелей, способных выдерживать ток силой 20 000 ампер для приложений распределения чрезвычайно высокого тока, таких как модернизация Большого адронного коллайдера с высокой светимостью . [22]

Конструкция токамака IGNITOR была основана на MgB 2 для его полоидальных катушек. [23]

Тонкие покрытия могут использоваться в сверхпроводящих радиочастотных резонаторах для минимизации потерь энергии и снижения неэффективности охлаждаемых жидким гелием ниобиевых резонаторов.

Благодаря низкой стоимости входящих в его состав элементов, MgB 2 перспективен для использования в сверхпроводящих магнитах с низким и средним полем, электродвигателях и генераторах, ограничителях тока короткого замыкания и токопроводах. [ необходима ссылка ]

Топливо, взрывчатые вещества, пиротехника

В отличие от элементарного бора, сгорание которого неполное из-за стекловидного оксидного слоя, препятствующего диффузии кислорода, диборид магния сгорает полностью при воспламенении в кислороде или в смесях с окислителями. [24] Таким образом, борид магния был предложен в качестве топлива в прямоточных воздушно-реактивных двигателях . [25] Кроме того , по тем же причинам было предложено использование MgB 2 в усиленных взрывчатых веществах [26] и ракетном топливе. Ложные факелы , содержащие диборид магния/ тефлон / витон, демонстрируют на 30–60% большую спектральную эффективность, E λ (Дж г −1 ср −1 ), по сравнению с классическими полезными нагрузками из магния/тефлона/витона (MTV). [27] Также было исследовано применение диборида магния в гибридных ракетных двигателях, при этом соединение смешивалось с топливными зернами из парафинового воска для улучшения механических свойств и характеристик сгорания. [28]

Ссылки

  1. ^ Нагамацу, Джун; Накагава, Норимаса; Муранака, Такахиро; Зенитани, Юджи; Акимицу, июнь (2001). «Сверхпроводимость при 39 К в дибориде магния». Природа . 410 (6824): 63–4. Бибкод : 2001Natur.410...63N. дои : 10.1038/35065039. PMID  11242039. S2CID  4388025.
  2. ^ ab Larbalestier, DC; Cooley, LD; Rikel, MO; Polyanskii, AA; Jiang, J.; Patnaik, S.; Cai, XY; Feldmann, DM; et al. (2001). "Сильно связанный ток в поликристаллических формах сверхпроводника MgB2". Nature . 410 (6825): 186–189. arXiv : cond-mat/0102216 . Bibcode :2001Natur.410..186L. doi :10.1038/35065559. PMID  11242073. S2CID  4424264.
  3. ^ Мощалков, В.В.; Менгини, Мариэла; Нисио, Т.; Чен, К.; Силханек, А.; Дао, В.; Чиботару, Л.; Жигадло, Н.; Карпински Дж.; и др. (2009). «Сверхпроводники типа 1,5». Письма о физических отзывах . 102 (11): 117001. arXiv : 0902.0997 . Бибкод : 2009PhRvL.102k7001M. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.117001. PMID  19392228. S2CID  10831135.
  4. ^ Бабаев, Егор и Спейт, Мартин (2005). «Полумейсснеровское состояние и сверхпроводимость ни первого, ни второго типа в многокомпонентных системах». Physical Review B. 72 ( 18): 180502. arXiv : cond-mat/0411681 . Bibcode : 2005PhRvB..72r0502B. doi : 10.1103/PhysRevB.72.180502. S2CID  118146361.
  5. ^ Джонс, Мортон Э. и Марш, Ричард Э. (1954). «Получение и структура борида магния, MgB2 » . Журнал Американского химического общества . 76 (5): 1434. doi :10.1021/ja01634a089.
  6. ^ BAGlowacki, M.Majoros, M.Vickers, JEEvetts, Y.Shi и I.McDougall, Сверхпроводимость порошковых проводов MgB2 в трубках, Наука и технология сверхпроводников, 14 (4) 193 (апрель 2001 г.) | DOI: 10.1088/0953-2048/14/4/304
  7. ^ Джунчи, Г.; Цересара, С.; Рипамонти, Г.; Кьярелли, С.; Спадони, М.; и др. (6 августа 2002 г.). «Реактивное спекание MgB 2 из элементов». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 13 (2): 3060–3063. Бибкод : 2003ITAS...13.3060G. дои : 10.1109/TASC.2003.812090.
  8. ^ Си, XX; Погребняков А.В.; Сюй, С.Ю.; Чен, К.; Цюи, Ю.; Мерц, ЕС; Чжуан, CG; Ли, Ци; Ламборн, ДР; Редвинг, Дж. М.; Лю, ЗК; Сукиасян А.; Шлом, Д.Г.; Венг, XJ; Дики, ЕС; Чен, Ю.Б.; Тиан, В.; Пан, XQ; Кибарт, ЮАР; Дайнс, RC; и др. (14 февраля 2007 г.). «Тонкие пленки MgB 2 методом гибридного физико-химического осаждения из паровой фазы». Физика С. 456 (1–2): 22–37. Бибкод : 2007PhyC..456...22X. doi :10.1016/j.physc.2007.01.029.
  9. ^ abc Eisterer, M (2007). "Магнитные свойства и критические токи MgB 2 ". Наука и технология сверхпроводников . 20 (12): R47–R73. Bibcode :2007SuScT..20R..47E. doi :10.1088/0953-2048/20/12/R01. S2CID  123577523.
  10. ^ Хоссейн, MSA; и др. (2007). «Значительное увеличение H c2 и Hirr в объемах MgB 2 +C 4 H 6 O 5 при низкой температуре спекания 600 °C». Superconductor Science and Technology . 20 (8): L51–L54. Bibcode : 2007SuScT..20L..51H. doi : 10.1088/0953-2048/20/8/L03. S2CID  118204074.
  11. ^ Ямада, Х.; Учияма, Н.; Мацумото, А.; Китагучи, Х.; Кумакура, Х. (2007). «Превосходные сверхпроводящие свойства обработанных in situ порошком в трубке лент MgB2 с добавлением этилтолуола и порошка SiC». Наука и технология сверхпроводников . 20 (6): L30. Bibcode : 2007SuScT..20L..30Y. doi : 10.1088/0953-2048/20/6/L02. S2CID  95092135.
  12. ^ Ваджпаи, А; Авана, В; Баламуруган, С; Такаяамамуромати, Э; Кишан, Х; Бхалла, Дж. (2007). «Влияние легирования ПВС на фиксацию флюса в Bulk MgB 2 ». Физика C: Сверхпроводимость . 466 (1–2): 46–50. arXiv : 0708.3885 . Бибкод : 2007PhyC..466...46В. doi :10.1016/j.physc.2007.05.046. S2CID  118348153.
  13. ^ "Свойства MgB2, улучшенные путем легирования атомами углерода". Azom.com . 28 июня 2004 г.
  14. ^ Чжао, Юн и др. «Сверхпроводник на основе MgB2 с высокой критической плотностью тока и способ его изготовления» Патент США 6,953,770 , Дата выдачи: 11 октября 2005 г.
  15. ^ Ma, Y. (2006). «Эффекты легирования ZrC и ZrB2 в обработанных порошком в трубке лентах MgB2». Chinese Science Bulletin . 51 (21): 2669–2672. Bibcode : 2006ChSBu..51.2669M. doi : 10.1007/s11434-006-2155-4. S2CID  198141335. Архивировано из оригинала 2012-02-15.
  16. ^ ab Сологубенко, АВ; Джун, Дж.; Казаков, СМ; Карпински, Дж.; Отт, HR (2002). "Теплопроводность монокристаллического MgB2". Physical Review B . 66 (1): 14504. arXiv : cond-mat/0201517 . Bibcode :2002PhRvB..66a4504S. doi :10.1103/PhysRevB.66.014504. S2CID  119539678. Архивировано из оригинала 2012-02-14 . Получено 2008-12-18 .
  17. ^ Накаи, Нориюки; Ичиока, Масанори; МакХида, Казусиге (2002). «Зависимость электронной удельной теплоты в двухзонных сверхпроводниках от поля». Журнал Физического общества Японии . 71 (1): 23–26. arXiv : cond-mat/0111088 . Bibcode :2002JPSJ...71...23N. doi :10.1143/JPSJ.71.23. S2CID  119418871.
  18. ^ Брей, Дж. В. (2009). «Сверхпроводники в приложениях; некоторые практические аспекты». Труды IEEE по прикладной сверхпроводимости . 19 (3): 2533–2539. Bibcode : 2009ITAS...19.2533B. doi : 10.1109/TASC.2009.2019287. S2CID  30296918.
  19. ^ ab Винод, К; Кумар, Р. Г. Абхилаш; Шьямапрасад, У (2007). «Перспективы сверхпроводников MgB 2 для применения в магнитах». Наука и технологии сверхпроводников . 20 : R1–R13. doi :10.1088/0953-2048/20/1/R01. S2CID  122933298.
  20. ^ "Первая система МРТ на основе нового сверхпроводника диборида магния" (PDF) . Columbus Superconductors. Архивировано из оригинала (PDF) 2007-06-30 . Получено 2008-09-22 .
  21. ^ Braccini, Valeria; Nardelli, Davide; Penco, Roberto; Grasso, Giovanni (2007). «Разработка обработанных ex situ проводов MgB 2 и их применение в магнитах». Physica C: Superconductivity . 456 (1–2): 209–217. Bibcode : 2007PhyC..456..209B. doi : 10.1016/j.physc.2007.01.030.
  22. ^ Проект высокого тока ЦЕРН
  23. ^ Информационный листок Ignitor
  24. ^ Кох, Э.-К.; Вайзер, В. и Рот, Э. (2011), Поведение при горении бинарных пиролизантов на основе Mg, MgH 2 , MgB 2 , Mg 3 N 2 , Mg 2 Si и политетрафторэтилена, EUROPYRO 2011 , Реймс, Франция
  25. ^ Уорд, Дж. Р. « Пиротехнический состав MgH 2 и Sr(NO 3 ) 2 » Патент США 4,302,259 , выдан: 24 ноября 1981 г.
  26. ^ Вуд, Л. Л. и др. «Легкие металлические взрывчатые вещества и ракетные топлива» Патент США 6,875,294 , Выдан: 5 апреля 2005 г.
  27. ^ Кох, Эрнст-Кристиан; Хахма, Арно; Вайзер, Фолькер; Рот, Эвелин; Кнапп, Себастьян (2012). «Металл-фторуглеродные пироланты. XIII: Высокоэффективные инфракрасные ложные сигнальные ракеты на основе MgB2 и Mg2Si и политетрафторэтилена/Viton®». Пороха, взрывчатые вещества, пиротехника . 37 (4): 432. doi :10.1002/prep.201200044.
  28. ^ Bertoldi, AEM; Bouziane, M.; Hendrick, P.; Vandevelde, C.; Lefebvre, M.; Veras, CAG (28 мая – 1 июня 2018 г.). Разработка и испытание присадки на основе магния для гибридных ракетных топлив . 15-я Международная конференция по космическим операциям. Американский институт аэронавтики и астронавтики. doi : 10.2514/6.2018-2383 . ISBN 978-1-62410-562-3.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Диборид магния .