Сверхпроводник II типа - Type-II superconductor

Сверхпроводящее поведение при изменении магнитного поля и температуры. График показывает магнитный поток B как функция абсолютная температура Т. Критические плотности магнитного потока B_C1 и B_C2 и критическая температура Т_C помечены. В нижней части этого графика сверхпроводники типа I и типа II отображают Эффект Мейснера (а). Смешанное состояние (b), в котором некоторые силовые линии захватываются вихрями магнитного поля, встречается только в сверхпроводниках II типа в ограниченной области графика. За пределами этой области свойство сверхпроводимости нарушается, и материал ведет себя как нормальный проводник (c).

Вихри в слое толщиной 200 нм. YBCO фильм создан сканирующая СКВИД-микроскопия^[1]

В сверхпроводимость, а сверхпроводник II типа представляет собой сверхпроводник, который проявляет промежуточную фазу смешанных обычных и сверхпроводящих свойств при промежуточных температурах и полях над сверхпроводящими фазами. вихри магнитного поля с нанесенным внешним магнитное поле Это происходит выше определенной критической напряженности поля. ЧАС_c1. Плотность вихрей увеличивается с увеличением напряженности поля. В более высоком критическом поле ЧАС_c2, сверхпроводимость разрушена. Сверхпроводники типа II не демонстрируют полной Эффект Мейснера. ^[2]

История

В 1935 г. Рябинин и Шубников^[3][4] экспериментально обнаружил сверхпроводники второго типа. В 1950 году теория двух типов сверхпроводники был разработан Лев Ландау и Виталий Гинзбург в своей статье о Теория Гинзбурга – Ландау.^[5] В своем аргументе сверхпроводник I типа был положительный свободная энергия границы сверхпроводник-нормальный металл. Гинзбург и Ландау указали на возможность появления сверхпроводников второго рода, которые должны образовывать неоднородное состояние в сильных магнитных полях. Однако в то время все известные сверхпроводники относились к типу I, и они отметили, что не было экспериментальной мотивации для рассмотрения точной структуры сверхпроводящего состояния типа II. Теория поведения сверхпроводящего состояния II типа в магнитном поле была значительно улучшена благодаря Алексей Алексеевич Абрикосов, который развивал идеи Ларс Онсагер и Ричард Фейнман квантовых вихрей в сверхтекучие жидкости. Квантовый вихревой раствор в сверхпроводнике также очень тесно связан с Фриц Лондон работает над магнитный поток квантование в сверхпроводниках. В Нобелевская премия по физике был награжден за теорию сверхпроводимости второго рода в 2003 году.^[6]

Состояние вихря

Теория Гинзбурга – Ландау определяет два параметра: длина сверхпроводящей когерентности и Лондонская глубина проникновения магнитного поля. В сверхпроводнике второго рода длина когерентности меньше глубины проникновения. Это приводит к отрицательной энергии границы раздела сверхпроводящей и нормальной фаз. О существовании отрицательной энергии интерфейса было известно с середины 1930-х годов из ранних работ братьев Лондон. Отрицательный энергия интерфейса предполагает, что система должна быть нестабильной по отношению к максимальному количеству таких интерфейсов, чего не наблюдалось в первых экспериментах со сверхпроводниками до экспериментов Шубникова в 1936 году, когда были обнаружены два критических поля. В 1952 г. о наблюдении сверхпроводимости второго рода сообщил также Заварицкий. Как позже обсуждалось Абрикосов А.А. эти границы раздела проявляются как линии магнитного потока, проходящие через материал, поворачивающие область сверхпроводника по нормали. Эта нормальная область отделена от остального сверхпроводника циркулирующим сверхтоком. По аналогии с гидродинамикой закрученный сверхток создает то, что известно как вихрь, или Вихрь абрикосова, после Алексей Алексеевич Абрикосов. В пределе очень малой длины когерентности вихревое решение идентично флюксоиду Лондона, где ядро ​​вихря аппроксимируется резким обрезанием, а не постепенным исчезновением сверхпроводящего конденсата вблизи центра вихря. Абрикосов обнаружил, что вихри образуют регулярный массив, известный как вихревая решетка.^[6]

Пиннинг флюса

В вихревом состоянии явление, известное как закрепление флюса, где сверхпроводник закреплен в пространстве над магнитом, становится возможным. Это невозможно с сверхпроводники первого типа, так как через них не могут проникать магнитные поля.^[7] Поскольку сверхпроводник закреплен над магнитом вдали от любых поверхностей, существует вероятность соединения без трения. Ценность фиксации флюса проявляется во многих реализациях, таких как подъемники, соединения без трения и транспортировка. Чем тоньше сверхпроводящий слой, тем сильнее пиннинг, возникающий при воздействии магнитных полей.

Материалы

Сверхпроводники II типа обычно изготавливаются из металла. сплавы или сложный оксид керамика. Все высокотемпературные сверхпроводники являются сверхпроводниками второго рода. Хотя большинство элементарных сверхпроводников относятся к типу I, ниобий, ванадий, и технеций являются элементарными сверхпроводниками второго рода. Бор легированный алмаз и кремний также являются сверхпроводниками второго рода. Сверхпроводники из металлических сплавов также демонстрируют поведение типа II (например ниобий-титановый и ниобий-олово ).

Другими примерами типа II являются купрат -перовскит керамические материалы, достигшие самых высоких критических температур сверхпроводимости. К ним относятся La_1.85Ба_0.15CuO₄, BSCCO, и YBCO (Иттрий -Барий -Медь -Окись ), который известен как первый материал, достигший сверхпроводимости выше точки кипения жидкий азот (77 К). Из-за сильного вихрь закрепление, купраты близки к идеально твердые сверхпроводники.

Важное использование

Сильные сверхпроводящие электромагниты (используются в МРТ сканеры, ЯМР машины и ускорители частиц ) часто используют катушки, намотанные из ниобий-титановый провода или, для более высоких полей, ниобий-олово провода. Эти материалы являются сверхпроводниками второго типа со значительным верхним критическим полем. ЧАС_c2, а в отличие, например, от купратных сверхпроводников с еще более высокой ЧАС_c2, они могут быть правильно обработаны в проволоку.

Смотрите также

использованная литература