Сверхпроводник второго типа

Сверхпроводящее поведение при изменении магнитного поля и температуры. На графике показана потока B магнитного от абсолютной температуры T. зависимость критические плотности магнитного потока B _C1 и B _C2 , а также критическая температура T _C. Обозначены В нижней части этого графика сверхпроводники как типа I, так и типа II демонстрируют эффект Мейснера (а). Смешанное состояние (б), в котором некоторые силовые линии захватываются вихрями магнитного поля, возникает только в сверхпроводниках II рода в пределах ограниченной области графика. За пределами этой области сверхпроводящие свойства теряются, и материал ведет себя как обычный проводник (в).

Квантовые вихри толщиной 200 нм, в пленке YBCO полученные с помощью сканирующей СКВИД-микроскопии

В сверхпроводимости сверхпроводник типа II представляет собой сверхпроводник, который проявляет промежуточную фазу смешанных обычных и сверхпроводящих свойств при промежуточной температуре и полях выше сверхпроводящих фаз. Также характерно образование вихрей магнитного поля при приложенном внешнем магнитном поле . Это происходит выше определенной критической напряженности поля H _c1 . Плотность вихрей увеличивается с увеличением напряженности поля. При более высоком критическом поле H _c2 сверхпроводимость разрушается. Сверхпроводники второго рода не обладают полным эффектом Мейсснера .

История

In 1935, J.N. Rjabinin and Lev Shubnikov экспериментально открыл сверхпроводники второго рода. В 1950 году теория двух типов сверхпроводников получила дальнейшее развитие Льва Ландау и Виталия Гинзбурга в их статье по теории Гинзбурга–Ландау . По их мнению, сверхпроводник I типа имел положительную свободную энергию границы сверхпроводник-нормальный металл. Гинзбург и Ландау указали на возможность существования сверхпроводников II рода, которые должны образовывать неоднородное состояние в сильных магнитных полях. Однако в то время все известные сверхпроводники относились к типу I, и они отмечали, что не было экспериментальной мотивации для рассмотрения точной структуры сверхпроводящего состояния типа II. Теорию поведения сверхпроводящего состояния II рода в магнитном поле существенно усовершенствовал Алексей Алексеевич Абрикосов . который развивал идеи Ларса Онсагера и Ричарда Фейнмана о квантовых вихрях в сверхтекучих средах . Решение квантового вихря в сверхпроводнике также очень тесно связано с Фрица Лондона работой по квантованию магнитного потока в сверхпроводниках. Нобелевская премия по физике была присуждена за теорию сверхпроводимости II рода в 2003 году.

Вихревое состояние

Теория Гинзбурга-Ландау ввела длину сверхпроводящей когерентности ξ в дополнение к глубине проникновения лондонского магнитного поля λ . Согласно теории Гинзбурга–Ландау, в сверхпроводнике II рода $\lambda /\xi >1/{\sqrt {2}}$. Гинзбург и Ландау показали, что это приводит к отрицательной энергии границы раздела сверхпроводящей и нормальной фаз. О существовании отрицательной энергии интерфейса было также известно с середины 1930-х годов из ранних работ братьев Лондон. Отрицательная энергия интерфейса предполагает, что система должна быть неустойчивой по отношению к максимизации числа таких интерфейсов. Эта неустойчивость не наблюдалась до экспериментов Шубникова в 1936 г., в которых были обнаружены два критических поля.

В 1952 г. о наблюдении сверхпроводимости второго рода сообщил также Заварицкий. Фриц Лондон продемонстрировал что магнитный поток может проникать в сверхпроводник через топологический дефект, который имеет целочисленную фазовую обмотку и несет квантованный магнитный поток. Онзагер и Фейнман продемонстрировали, что в сверхтекучих средах должны образовываться квантовые вихри.

Статья А. А. Абрикосова 1957 г. обобщает эти идеи. В пределе очень малой длины когерентности вихревое решение идентично флюксоиду Лондона: где ядро ​​вихря аппроксимируется резким обрывом, а не постепенным исчезновением сверхпроводящего конденсата вблизи центра вихря. Абрикосов обнаружил, что вихри образуют регулярный массив, известный как вихревая решетка . Вблизи так называемого верхнего критического магнитного поля проблема сверхпроводника во внешнем поле эквивалентна проблеме вихревого состояния во вращающейся сверхжидкости, обсуждаемой Ларсом Онсагером и Ричардом Фейнманом .

Закрепление флюса

Память положения за счет вихревого пиннинга в высокотемпературном сверхпроводнике

В вихревом состоянии становится возможным явление, известное как пиннинг потока . Это невозможно со сверхпроводниками I рода , поскольку в них не проникают магнитные поля.

Если сверхпроводник охлаждается в поле, поле может быть захвачено, что позволяет подвешивать сверхпроводник над магнитом с возможностью образования соединения или подшипника без трения. Ценность закрепления флюса проявляется во многих реализациях, таких как лифты, соединения без трения и транспортировка. Чем тоньше сверхпроводящий слой, тем сильнее происходит пиннинг при воздействии магнитных полей.

Материалы

Сверхпроводники второго рода обычно изготавливаются из металлических сплавов или сложной оксидной керамики . Все высокотемпературные сверхпроводники относятся к сверхпроводникам второго рода. В то время как большинство элементарных сверхпроводников относятся к типу I, ниобий , ванадий и технеций относятся к элементарным сверхпроводникам типа II. бором, , легированные Алмаз и кремний также являются сверхпроводниками второго рода. Сверхпроводники из металлических сплавов также могут проявлять поведение типа II (например, ниобий-титан , один из наиболее распространенных сверхпроводников в прикладной сверхпроводимости), а также интерметаллические соединения, такие как ниобий-олово .

Другими примерами типа II являются купратно - перовскитные керамические материалы, которые достигли самых высоких критических температур сверхпроводимости. К ним относятся La _1,85 Ba _0,15 CuO ₄ , BSCCO и YBCO ( иттрий - барий - медь - оксид ), который известен как первый материал, достигший сверхпроводимости выше температуры кипения жидкого азота (77 К). Благодаря сильному вихревому пиннингу купраты близки к идеально твердым сверхпроводникам .

Важные применения

В сильных сверхпроводящих электромагнитах (используемых в сканерах МРТ , ЯМР- аппаратах и ​​ускорителях частиц ) часто используются катушки, намотанные из ниобий-титановых проводов или, для более высоких полей, из ниобий-оловянных проводов. Эти материалы представляют собой сверхпроводники второго рода со значительным верхним критическим полем H _c2 и, в отличие, например, от купратных сверхпроводников с еще более высоким H _c2 , из них можно легко изготавливать провода. Однако в последнее время сверхпроводящие ленты 2-го поколения позволяют заменить более дешевые провода на основе ниобия на гораздо более дорогие, но сверхпроводящие при гораздо более высоких температурах и магнитных полях ленты «2-го поколения».