Сверхпроводники первого и второго рода

Классификация сверхпроводников по типу магнитного отклика

Сверхпроводники разделяются на два основных типа — первого рода и второго рода, — в зависимости от их поведения в магнитном поле. Критерий классификации основан на характере перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное под действием внешнего магнитного поля и на значении параметра Гинзбурга–Ландау

$$ \kappa = \frac{\lambda}{\xi}, $$

где λ — длина Лондоновского проникновения магнитного поля, ξ — когерентная длина (размер области, в которой электронная волновая функция сохраняет когерентность).

Если $\kappa < \frac{1}{\sqrt{2}}$, материал относится к сверхпроводникам первого рода. Если $\kappa > \frac{1}{\sqrt{2}}$, он является сверхпроводником второго рода.

Особенности магнитного отклика В сверхпроводниках первого рода при увеличении внешнего магнитного поля до некоторого критического значения H_c сверхпроводящее состояние исчезает скачком по фазовому переходу первого рода.

При H < H_c материал полностью вытесняет магнитное поле из своего объёма — эффект Мейсснера–Оксенфельда. При H > H_c сверхпроводимость полностью разрушается, и вещество переходит в нормальное состояние.

Промежуточное состояние У образцов конечных размеров, особенно в пластинках и проволоках, возможно существование так называемого промежуточного состояния, в котором часть материала находится в сверхпроводящей фазе, а часть — в нормальной. В этом режиме магнитный поток проникает в виде крупных областей нормальной фазы, чередующихся с сверхпроводящими участками.

Примеры Классическими сверхпроводниками первого рода являются чистые элементы с низкими критическими температурами: свинец (Pb), ртуть (Hg), олово (Sn), алюминий (Al). Для них характерны малые значения λ и большие ξ, что приводит к $\kappa < 1/\sqrt{2}$.

Сверхпроводники второго рода

Два критических поля Сверхпроводники второго рода обладают двумя критическими магнитными полями:

H_c1 — нижнее критическое поле, при котором магнитный поток начинает проникать в образец;
H_c2 — верхнее критическое поле, при котором сверхпроводимость полностью исчезает.

В диапазоне H_c1 < H < H_c2 реализуется смешанное состояние (вихревое состояние Абрикосова).

Смешанное состояние и вихри Абрикосова В смешанном состоянии магнитное поле проникает внутрь сверхпроводника в виде квантованных магнитных вихрей, каждый из которых несёт магнитный поток

$$ \Phi_0 = \frac{h}{2e} \approx 2.07 \times 10^{-15} \ \text{Вб}. $$

Ядро вихря имеет размер порядка ξ, где сверхпроводящий порядок подавлен до нуля, а вокруг него течёт сверхпроводящий ток, экранирующий магнитное поле на масштабе λ.

Эти вихри могут образовывать регулярные решётки Абрикосова (обычно треугольной симметрии). Их взаимодействие и подвижность определяют магнитные и транспортные свойства сверхпроводника во внешнем поле.

Примеры Сверхпроводники второго рода — это в основном сплавы, интерметаллические соединения и высокотемпературные купраты, например NbTi, Nb₃Sn, YBa₂Cu₃O_7 − x. У них характерно большое значение λ и малое ξ, что обеспечивает $\kappa > 1/\sqrt{2}$.

Термодинамические и энергетические различия

Поверхностная энергия границы фаз Ключевое различие между сверхпроводниками первого и второго рода связано со знаком поверхностной энергии σ на границе нормальной и сверхпроводящей областей:

при $\kappa < 1/\sqrt{2}$ (первый род) σ > 0 — система минимизирует число границ, поэтому при H ≈ H_c она стремится перейти полностью в одну из фаз;
при $\kappa > 1/\sqrt{2}$ (второй род) σ < 0 — наличие границы выгодно энергетически, что и приводит к образованию множества вихрей в смешанном состоянии.

Критические токи Сверхпроводники первого рода имеют сравнительно малые критические токи из-за резкого разрушения сверхпроводимости при достижении H_c. Сверхпроводники второго рода могут работать в более высоких полях и при больших токах благодаря устойчивости вихревого состояния.

Применение

Сверхпроводники первого рода применяются редко из-за низких критических полей и токов, однако их чистые свойства важны для фундаментальных исследований сверхпроводимости.

Сверхпроводники второго рода являются основой для создания мощных магнитов, токоведущих кабелей, магнитно-резонансных томографов и установок ядерного синтеза (например, токамаков). Их способность сохранять сверхпроводимость при высоких магнитных полях делает их незаменимыми в технике.