В сверхпроводимости сверхпроводник II типа — это сверхпроводник, который проявляет промежуточную фазу смешанных обычных и сверхпроводящих свойств при промежуточной температуре и полях выше сверхпроводящих фаз. Он также характеризуется образованием вихрей магнитного поля с приложенным внешним магнитным полем . 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 II типа не проявляют полного эффекта Мейсснера . [2]
В 1935 году Я. Н. Рябинин и Лев Шубников [3] [4] экспериментально открыли сверхпроводники II рода. В 1950 году теория двух типов сверхпроводников была далее развита Львом Ландау и Виталием Гинзбургом в их статье о теории Гинзбурга–Ландау . [5] В их аргументации сверхпроводник I рода имел положительную свободную энергию границы сверхпроводник–нормальный металл. Гинзбург и Ландау указали на возможность сверхпроводников II рода, которые должны образовывать неоднородное состояние в сильных магнитных полях. Однако в то время все известные сверхпроводники были сверхпроводниками I рода, и они отметили, что не было экспериментальной мотивации рассматривать точную структуру сверхпроводящего состояния II рода. Теория поведения сверхпроводящего состояния II типа в магнитном поле была значительно улучшена Алексеем Алексеевичем Абрикосовым [6], который развивал идеи Ларса Онзагера и Ричарда Фейнмана о квантовых вихрях в сверхтекучих жидкостях . Квантовое вихревое решение в сверхпроводнике также очень тесно связано с работой Фрица Лондона по квантованию магнитного потока в сверхпроводниках. Нобелевская премия по физике была присуждена за теорию сверхпроводимости II типа в 2003 году. [7]
Теория Гинзбурга–Ландау ввела сверхпроводящую длину когерентности ξ в дополнение к глубине проникновения лондоновского магнитного поля λ . Согласно теории Гинзбурга–Ландау, в сверхпроводнике II рода . Гинзбург и Ландау показали, что это приводит к отрицательной энергии интерфейса между сверхпроводящей и нормальной фазами. Существование отрицательной энергии интерфейса также было 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 году, где были обнаружены два критических поля.
В 1952 году Заварицкий также сообщил о наблюдении сверхпроводимости II типа. Фриц Лондон продемонстрировал [8] [9] , 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 жидкостях должны образовываться квантовые вихри. [10] [11]
Статья А. А. Абрикосова 1957 года [12] обобщает эти идеи. В пределе очень короткой длины когерентности вихревое решение идентично флюксоиду Лондона [9] , где ядро вихря аппроксимируется резким обрезанием, а не постепенным исчезновением сверхпроводящего конденсата вблизи центра вихря. Абрикосов обнаружил, что вихри выстраиваются в регулярный массив, известный как вихревая решетка . [7] Вблизи так называемого верхнего критического магнитного поля проблема сверхпроводника во внешнем поле эквивалентна проблеме вихревого состояния во вращающейся сверхтекучей жидкости, обсуждаемой Ларсом Онзагером и Ричардом Фейнманом .
В состоянии вихря становится возможным явление, известное как закрепление потока . Это невозможно в случае сверхпроводников I типа , поскольку они не могут быть пронизаны магнитными полями. [13]
Если сверхпроводник охлаждается в поле, поле может быть захвачено, что позволяет подвешивать сверхпроводник над магнитом с потенциалом для соединения без трения или подшипника. Ценность закрепления потока видна во многих реализациях, таких как лифты, соединения без трения и транспортировка. Чем тоньше сверхпроводящий слой, тем сильнее закрепление, которое происходит при воздействии магнитных полей.
Сверхпроводники типа II обычно изготавливаются из металлических сплавов или сложной оксидной керамики . Все высокотемпературные сверхпроводники являются сверхпроводниками типа II. В то время как большинство элементарных сверхпроводников являются сверхпроводниками типа I, ниобий , ванадий и технеций являются элементарными сверхпроводниками типа II. Легированный бором алмаз и кремний также являются сверхпроводниками типа II. Сверхпроводники из металлических сплавов также могут демонстрировать поведение типа II (например, ниобий-титан , один из наиболее распространенных сверхпроводников в прикладной сверхпроводимости), а также интерметаллические соединения, такие как ниобий-олово .
Другие примеры типа II — это керамические материалы купрат - перовскит , которые достигли самых высоких сверхпроводящих критических температур. 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 точки кипения жидкого азота (77 К). Благодаря сильному вихревому пиннингу купраты близки к идеально жестким сверхпроводникам .
Сильные сверхпроводящие электромагниты (используемые в сканерах МРТ , ЯМР- машинах и ускорителях частиц ) часто используют катушки, намотанные из ниобий-титановых проводов или, для более сильных полей, из ниобий-оловянных проводов. Эти материалы являются сверхпроводниками II типа со значительным верхним критическим полем H c2 , и в отличие, например, от купратных сверхпроводников с еще более высоким H c2 , их можно легко обрабатывать в провода. Однако в последнее время сверхпроводящие ленты 2-го поколения позволяют заменять более дешевые провода на основе ниобия на гораздо более дорогие, но сверхпроводящие при гораздо более высоких температурах и магнитных полях ленты «2-го поколения».
