Вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние, как и вблизи других точек переходов II рода, растет роль флуктуации. Однако область температур, где флуктуации оказывают заметное влияние на свойства сверхпроводников, очень мала. По оценке Гинзбурга для чистых массивных сверхпроводников она равна 10–15 градуса. Флуктуации играют более заметную роль в тонких пленках с малой длиной свободного пробега электронов, и именно в таких пленках висмута они были обнаружены экспериментально. Оказалось, что сопротивление пленки R при приближении к температуре перехода уменьшается плавно и при температурах, не слишком близких к температуре перехода Т_с, подчиняется закону:

где параметры и τ_о не зависят от температуры.
Одновременно влияние флуктуации на сопротивление сверхпроводников изуча¬лось теоретически. При температурах больше Тс сверхпроводящие пары не образуют бозе–конденсата, но могут флуктуационно рождаться в заметном количестве. Их плотность пр удовлетворяет кинетическому уравнению, которое может быть получено из временного уравнения Гинзбурга – Ландау:
 

(2)

где Ε – напряженность электрического поля, ρ – импульс пары, Μ – параметр теории Гинзбурга – Ландау.
Вклад флуктуационных пар в плотность тока получил название парапроводимости, и для тонкой пленки толщины d он равен

(3)

Подставляя решение уравнения (2) в формулу (3), получим в слабом низкочастотном иоле второе слагаемое выражения (1). Причем отношение для сопротивления квадрата пленки равно универсальной величине

 

Универсальность этого отношения позднее была проверена для пленок различной толщины.
Во многих работах изучалась зависимость паранроводимости от величины электрического поля и его частоты. Как видно из выражения (2), плотность нар, а следовательно, и их вклад в проводимость падают с ростом поля и увеличением его частоты. Уравнение (2) учитывает отклонение плотности пар от их равновесного распределения в предположении, что неспаренные электроны быстрее, чем пары, приходят в состояние равновесия. Это справедливо, если в пленке есть магнитные примеси или она помещена в магнитное поле, или достаточно велика энергетическая релаксация электронов, связанная с электрон–фотонным и электрон–электронным взаимодействиями. В противном случае следует учитывать, что флуктуацпонные пары влияют я на проводимость неспаренных электронов. В плотности тока тогда появляется так называемый «аномальный» член, который приводит к эффективному увеличению параметра τ₀ . В некоторых экспериментах с пленками свинца измеренное значение τ₀ оказалось вдвое меньше теоретического. Удовлетворительное объяснение этого факта пока отсутствует.
Кроме вклада флуктуации в проводимость тонких пленок, наблюдалось влияние флуктуации на туннельный ток. Заметный вклад дают флуктуации в магнитную восприимчивость сверхпроводников при температуре выше точки перехода. В широкой области температур этот вклад превышает слабую парамагнитную восприимчивость нормальных металлов.

 

***

Флуктуации электрические (ФЭ), хаотические изменения потенциалов, токов и зарядов в электрических цепях и линиях связи. ФЭ вызываются тепловым движением носителей заряда и другими физическими процессами в веществе, обусловленными дискретной природой электричества (естественные ФЭ), а также случайными изменениями и нестабильностью характеристик цепей (технические ФЭ). ФЭ возникают в пассивных элементах цепей (металлических и неметаллических проводниках), в активных элементах (электронных, ионных и полупроводниковых приборах), а также в атмосфере, в которой происходит распространение радиоволн.
Тепловые ФЭ (тепловой шум) обусловлены тепловым движением носителей заряда в проводнике, в результате чего на концах проводника возникает флуктуирующая разность потенциалов. В металлах из–за большой концентрации электронов проводимости и малой длины свободного пробега тепловые скорости электронов во много раз превосходят скорость направленного движения в электрическое поле (дрейфа). Поэтому ФЭ в металлах зависят от температуры, но не зависят от приложенного напряжения (Найквиста формула). При комнатной темп–ре интенсивность тепловых ФЭ остаётся постоянной до частот ~1012 Гц. Хотя тепловые ФЭ возникают только в активных сопротивлениях, наличие реактивных элементов (ёмкостей и индуктивностей) может изменить частотный спектр ФЭ В неметаллических проводниках ФЭ на низких частотах на несколько порядков превышают тепловые ФЭ. Эти избыточные шумы объясняются медленной случайной перестройкой структуры проводника под действием тока.
ФЭ в электровакуумных и ионных приборах связаны главным образом со случайным характером электронной эмиссии с катода (дробовой шум). Интенсивность дробовых ФЭ практически постоянна для частот <= 108гц и зависит от присутствия остаточных ионов и величины объёмного заряда. Дополнительные источники ФЭ в этих приборах – вторичная электронная эмиссия с анода и сеток электронных ламп, динодов фотоэлектронных умножителей и т. п., а также случайное перераспределение тока между электродами. В электровакуумных и ионных приборах наблюдаются также медленные ФЭ, связанные с различными процессами на катоде. В газоразрядных приборах низкого давления ФЭ возникают из–за теплового движения электронов.
В полупроводниковых приборах ФЭ обусловлены случайным характером процессов генерации и рекомбинации электронов и дырок (генерационно–рекомбинационный шум) и диффузии носителей заряда (диффузионный шум). Оба процесса дают вклад как в тепловой, так и в дробовой шумы полупроводниковых приборов. Частотный спектр этих ФЭ определяется временами жизни и дрейфа носителей. В полупроводниковых приборах наблюдаются также ФЭ, обусловленные "улавливанием" электронов и дырок дефектами кристаллической структуры.
В приборах, работающих на принципе вынужденного излучения (мазеры и др.), проявляются шумы спонтанной эмиссии, обусловленные квантовым характером электромагнитного излучения.
Технические ФЭ связаны с температурными изменениями параметров цепей и их старением, нестабильностью источников питания, с помехами от промышленных установок, вибрацией и толчками, с нарушениями электрических контактов и т. п.
ФЭ в генераторах электрических колебаний вызывают модуляцию амплитуды и частоты колебаний (см. Модуляция колебаний), что приводит к появлению непрерывного частотного спектра колебаний или к уширению спектральной линии генерируемых колебаний, составляющему величину 10–7 –10–12 от несущей частоты.
ФЭ приводят к появлению ложных сигналов – шумов на выходе усилителей электрических сигналов, ограничивают их чувствительность и помехоустойчивость, уменьшают стабильность генераторов и устойчивость систем автоматического регулирования и т. д.
 

Напомним, что явление сверхпроводимости наблюдается при достаточно низких температурах, когда электрическое сопротивление этих материалов падает до нуля. Американские ученые предложили использовать обратный эффект – исчезновение сверхпроводимости при увеличении протекающего через проводник тока. Предполагается, что новое устройство будет встроено в сеть электроснабжения и в обычном своем состоянии будет сохранять сверхпроводящие свойства, т.е. практически не оказывать сопротивления току. Если же протекающий ток превышает определенный уровень, сопротивление резко возрастает и состояние сверхпроводимости исчезает. В новом устройстве предусмотрен и другой механизм влияния на сверхпроводимость – потеря сверхпроводящих свойств при воздействии магнитного поля.
Прибор отличается хорошим быстродействием – он реагирует на превышение тока в пределах одного периода переменного электрического тока (т.е. быстрее 1/50 секунды). Интересно, что новое устройство появилось в большой степени случайным образом – поначалу разработчики пытались использовать сверхпроводники для того, чтобы ограничить скачки электрического тока до того уровня, когда можно будет использовать традиционные прерыватели тока (дело в том, что прерывание слишком больших скачков тока – непростая задача, поскольку в этом случае на размыкающихся контактах образуется электрическая дуга).
Сверхпроводящие устройства для ограничения тока будут устанавливаться на электрических подстанциях. Они будут выполнены в виде трубок или стержней, в состав которых входят композиции из оксидов висмута, стронция, кальция и меди.
Предполагается завершить разработку и ввести ее в эксплуатацию к 2006 г. Установка подобных устройств на подстанциях позволит значительно увеличить мощность передаваемого в нынешних электрических сетях тока, так как ненадежность действующих в настоящее время прерывателей тока во многом ограничивала возможности сетей.
 

СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
До сих пор речь шла о силовой, или сильноточной, прикладной сверхпроводимости, однако прикладная сверхпроводимость имеет и другую, не менее яркую с точки зрения возможных областей использования грань, условно называемую слаботочной прикладной сверхпроводимостью. В более приемлемом для неспециалистов варианте, когда не претендуют на полноту терминологического охвата, ее именуют сверхпроводниковой электроникой.
Еще до открытия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) , так сказать, в эру низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), исследования и разработки по сверхпроводниковой электронике успешно развивались. Причина тому – уникальные возможности, которые открыло использование явления сверхпроводимости перед радиоэлектроникой (высокие, близкие к предельным квантовым чувствительность и точность измерительных средств, высокая добротность резонансных систем, миниатюризация многих ответственных устройств радиотехники и электроники), а также низкая материалоемкость этих устройств и скромные требования к мощностям криостатирования. Как у нас в стране, так и за рубежом были разработаны и испытаны сверхчувствительные измерители магнитного потока, тока и напряжения, создан квантовый эталон Вольта, уникальные магнитометры и градиентометры, приемники излучения, превосходящие самые совершенные полупроводниковые устройства. Часть из них, например сверхпроводниковые болометры и стробоскопические приставки к осциллографам, выпускалась малыми партиями преимущественно небольшими фирмами. Применялся в основном сверхпроводник Nb/AIOx/Nb.
Было бы неправдой сказать, что только необходимость криостатирования НТСП–электроники на гелиевом уровне температур препятствовала практическому освоению сверхпроводниковых электронных устройств. Была и еще причина – отсутствие соответствующей технологии, особенно для числовой сверхпроводниковой электроники, надежного, с контролируемыми параметрами производства разнообразных элементов, имеющих высокую плотность компановки в многослойных системах. Тем не менее открытие ВТСП–материалов и совершенствование техники криостатирования на гелиевом, а тем более на азотном уровне температур, стали мощным стимулом как самих разработок по сверхпроводниковой электронике, так и их практического использования в телекоммуникационной, приборной, компьютерной и медицинской технике. Проиллюстрируем это утверждение некоторыми примерами.
Сверхпроводниковую электронику принято подразделять на три подобласти: пассивные сверхпроводящие элементы, СКВИД–электроника (сверхпроводящие квантовые интерферометрические устройства) и цифровая техника с большим количеством, как правило, джозефсоновских переходов.
Смена низкотемпературных сверхпроводников высокотемпературными важна с точки зрения не только рабочих температур пассивных СВЧ–устройств, но и расширения рабочего диапазона частот до сотен гигагерц. При этом использование сверхпроводимости приводит к малым потерям, практическому отсутствию дисперсии сигнала, возможности управлять параметрами устройств за счет изменения реактивных или резистивных свойств под внешним воздействием. Это распространяется на широкий спектр пассивных СВЧ–устройств: линии передач, линии задержек, полосовые фильтры, амплитудные и фазовые модуляторы, переключатели и ограничители СВЧ–мощности, малогабаритные антенны, как приемные, так и передающие, резонаторы и др. Разработаны, успешно испытаны и начали эксплуатироваться сверхпроводниковые спутниковый системы связи, миниатюризированные и с повышенной пропускной способностью; системы связи с подвижными объектами (сотовой связи) третьего поколения, в которых применяются ВТСП–фильтры СВЧ–диапазона с уникальными характеристиками: шириной полосы пропускания 20 МГц, потерями на проход менее 0.5 дБ, затуханием вне полосы 85 дБ, крутизной склонов частотной характеристики 100 дБ/МГц и рабочей температурой 60 К. Кроме того, созданы системы перестраиваемых ВТСП–фильтров для локационной техники.
Здесь уместно отметить, что криостатирование подобных устройств обеспечивается микроохладителями, масса которых – единицы или десятки килограмм, а срок непрерывной работы до 40–50 тыс. часов. Отметим также, что основным рабочим ВТСП–веществом современной сверхпроводниковой электроники является соединение YBa2Cu3O7–x
В СКВИД–электронике используется непревзойденная чувствительность СКВИДов (10–14 Тл/ГГц) к изменению магнитного потока. Благодаря этому СКВИДы находят применение в прецизионных приборах, измеряющих предельно малые токи, напряжение и изменение магнитного потока. По этим параметрам можно оценивать многообразные свойства и явления – от перемещения в пространстве до химического превращения. Технология ВТСП–СКВИДов быстро совершенствуется. Из–за проблемы температурных шумов НТСП–СКВИДы, работающие при 4.2 К, будут всегда иметь определенное преимущество перед СКВИДами, функционирующими при азотных температурах, но область использования ВТСП–СКВИДов значительно расширяется за счет упрощения эксплуатационных проблем. В этой связи весьма интересными представляются разработки нового поколения магнитометрических систем неразрушающего контроля, необходимых, в первую очередь, атомной, авиационной и космической промышленности. Весьма перспективно развиваемое в последнее время направление медицинской диагностики – магнитокардиография и магнитоэнцефалография.
Разработанный в России магнитокардиограф на основе СКВИДов предназначен для неинвазивного исследования кардиомагнитных сигналов в полосе частот 0–500 Гц и с амплитудой 0–10 мкТл в углах регулярной сетки. Он используется для определения и количественной оценки ранней стадии ишемии, опасных для жизни аритмий (локализация аритмогенных тканей сердца), предсказания риска внезапной смерти.
В области цифровой, или дискретной, сверхпроводниковой электроники происходит постоянный рост числа элементов на одном чине, и по–прежнему заветной целью является создание устройств с тактовой частотой более 100 ГГц и энерговыделением на один вентиль менее 0.1 мкВт. В наши дни все большее практическое применение находит квантовый стандарт Вольта (V = hf / 2e, где h – постоянная Планка, f – частота и е – заряд электрона), получаемый методом интеграции 104 джозефсоновских переходов на одном чипе. Он обеспечивает напряжение V= 10 ± 10–7 В. В то же время в космическом эксперименте на спутнике ARGOS, наряду с пассивными сверхпроводниковыми элементами, испытывались сверхпроводниковые цифровые подсистемы, обеспечивающие более чем 100–кратное снижение потребления мощности при 10–кратном увеличении быстродействия и 10–кратном уменьшении массы по сравнению с современными полупроводниковыми системами на основе кремния или арсенида галлия.
Я рассказал лишь о нескольких разработках в сверхпроводниковой электронике, но они, на мой взгляд, достаточно впечатляющие. Что же касается оценки уровня отечественных исследований в этой области, то я могу лишь повторить сказанное ранее относительно сильноточной прикладной сверхпроводимости. Если в стране будет осознана необходимость развития этого передового направления техники, квалификация российских ученых и инженеров, уровень их разработок и технические возможности позволят уже в ближайшее время обеспечить прогресс многих важных областей хозяйственной деятельности, медицины и научных исследований.