Сверхпроводник II рода

Сверхпроводник II рода — это тип сверхпроводника, который в отличие от сверхпроводников I рода, переходит в сверхпроводящее состояние не скачкообразно, а через промежуточную смешанную фазу, в которой магнитное поле частично проникает в образец. Основным отличительным признаком является наличие двух критических магнитных полей: нижнего (Hc1) и верхнего (Hc2). При значениях поля между Hc1 и Hc2 вещество находится в так называемом вихревом состоянии, где сверхпроводящие и нормальные области сосуществуют. К сверхпроводникам II рода относятся практически все высокотемпературные сверхпроводники, а также многие чистые металлы (например, ниобий, ванадий) и их сплавы.

История открытия

Концепция сверхпроводников II рода была разработана в 1950-х годах в рамках теории Гинзбурга — Ландау (ГЛ), созданной Виталием Гинзбургом и Львом Ландау. В 1957 году Алексей Абрикосов, анализируя решения уравнений ГЛ, предсказал существование особого типа сверхпроводников, для которых параметр Гинзбурга — Ландау (κ) превышает 1/√2. В таких материалах энергетически выгодно образование вихревых нитей (вихрей Абрикосова), пронизывающих образец. За это открытие Абрикосов, Гинзбург и Леггетт были удостоены Нобелевской премии по физике в 2003 году.

Экспериментально сверхпроводники II рода были впервые идентифицированы в сплавах, таких как Nb₃Sn и V₃Ga, которые демонстрировали значительно более высокие критические поля, чем чистые металлы. В 1960-х годах были открыты интерметаллические соединения с рекордными значениями Hc2, что стимулировало развитие технических применений, в частности, создание сверхпроводящих магнитов.

Физическая природа и механизм

Параметр Гинзбурга — Ландау

Ключевым параметром, разделяющим сверхпроводники I и II рода, является безразмерный параметр κ = λ/ξ, где λ — глубина проникновения магнитного поля, а ξ — длина когерентности (характерный размер куперовской пары). Если κ < 1/√2, то материал является сверхпроводником I рода. Если κ > 1/√2 — сверхпроводником II рода. Для большинства чистых металлов κ значительно меньше 1/√2, тогда как для сплавов и высокотемпературных сверхпроводников κ может достигать значений 10–100 и более.

Смешанное состояние и вихри Абрикосова

При увеличении внешнего магнитного поля H от нуля до Hc1 материал находится в мейсснеровском состоянии (полное выталкивание поля). При H = Hc1 начинается проникновение поля в виде квантованных вихрей — трубок нормальной фазы, каждая из которых несёт один квант магнитного потока Φ₀ = h/2e ≈ 2,07·10⁻¹⁵ Вб. Вокруг каждой вихревой нити циркулирует сверхпроводящий ток, экранирующий поле внутри вихря. Вихри образуют упорядоченную решётку (решётку Абрикосова), которая может быть гексагональной или квадратной в зависимости от симметрии кристалла.

При H = Hc2 сверхпроводимость полностью разрушается, и материал переходит в нормальное состояние. Значение Hc2 может быть чрезвычайно высоким — для некоторых высокотемпературных сверхпроводников оно превышает 100 Тл.

Критические поля

• Нижнее критическое поле Hc1 — поле, при котором начинается проникновение первых вихрей. Оно определяется энергией образования вихря и для материалов с большим κ может быть достаточно малым.
• Верхнее критическое поле Hc2 — поле, при котором исчезает сверхпроводимость в объёме. Оно связано с длиной когерентности: Hc2 = Φ₀/(2πξ²). Для сплавов и соединений Hc2 может достигать десятков тесла, что делает их пригодными для создания мощных магнитов.

Классификация сверхпроводников II рода

По типу материала

• Чистые металлы с κ > 1/√2: ниобий (Nb), ванадий (V), технеций (Tc). У них Hc2 сравнительно невелико (до 0,3 Тл).
• Сплавы и интерметаллиды: NbTi, Nb₃Sn, V₃Ga, MgB₂. Эти материалы обладают Hc2 до 20–30 Тл и широко используются в технике.
• Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП): купраты (например, YBa₂Cu₃O₇₋δ, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊δ), железосодержащие сверхпроводники (FeSe, LaFeAsO). У них Hc2 может превышать 100 Тл, а критическая температура Tc — выше 77 К (температуры жидкого азота).

По типу вихревой динамики

• Идеальные сверхпроводники II рода — вихри могут свободно двигаться под действием тока, что приводит к диссипации энергии (резистивному состоянию).
• Сверхпроводники с пинингом — в материалах с дефектами (границы зёрен, включения, дислокации) вихри закрепляются (пиннинг), что позволяет пропускать большие токи без потерь. Это свойство критически важно для практических применений.

Применение

Сверхпроводящие магниты

Наиболее массовое применение сверхпроводников II рода — создание магнитов с сильным полем. Катушки из NbTi или Nb₃Sn используются в:

• Медицинской диагностике (магнитно-резонансные томографы, МРТ) — создают поля 1,5–3 Тл.
• Ускорителях частиц (Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе использует магниты на основе NbTi, создающие поля до 8,3 Тл).
• Термоядерных реакторах (ИТЭР — международный экспериментальный термоядерный реактор, где применяются катушки из Nb₃Sn для удержания плазмы).

Кабели и токоограничители

Сверхпроводящие кабели из ВТСП (например, на основе Bi-2223 или YBCO) позволяют передавать электрическую энергию с минимальными потерями. В России разрабатываются проекты по внедрению сверхпроводящих кабелей в энергосистемы крупных городов (например, в Санкт-Петербурге). Также создаются сверхпроводящие токоограничители, которые мгновенно ограничивают ток короткого замыкания.

Квантовые устройства

Вихри Абрикосова используются в квантовых интерферометрах (СКВИДы) — сверхчувствительных датчиках магнитного поля, применяемых в геофизике, медицине (магнитоэнцефалография) и фундаментальных исследованиях.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, сверхпроводники II рода имеют ряд недостатков:

• Потери в переменных полях — при изменении магнитного поля вихри движутся, вызывая диссипацию энергии. Это ограничивает использование в устройствах переменного тока.
• Хрупкость — многие интерметаллиды (например, Nb₃Sn) очень хрупки, что затрудняет изготовление длинных проводов.
• Необходимость криогенного охлаждения — даже ВТСП требуют охлаждения до температур ниже 77 К (жидкий азот) или ниже 20 К (жидкий водород), что усложняет и удорожает эксплуатацию.

Интересные факты

• Вихри Абрикосова были впервые визуализированы с помощью электронной микроскопии в 1960-х годах, а в 2010-х — с помощью сканирующей СКВИД-микроскопии.
• В 2023 году в России (Институт физики твёрдого тела РАН) были получены рекордные значения критического тока в тонких плёнках YBCO, превышающие 10⁷ А/см².
• Сверхпроводники II рода лежат в основе концепции «вихревой памяти» — потенциального элемента для сверхпроводящих компьютеров.

Источники

• Абрикосов А. А. «О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы» // ЖЭТФ, 1957.
• Гинзбург В. Л., Ландау Л. Д. «К теории сверхпроводимости» // ЖЭТФ, 1950.
• Тилли Д. Р., Тилли Дж. «Сверхпроводимость и сверхпроводники» / Пер. с англ. — М.: Мир, 1977.
• Шмидт В. В. «Введение в физику сверхпроводников» — М.: МЦНМО, 2000.
• Tinkham M. «Introduction to Superconductivity» — 2nd ed., McGraw-Hill, 1996.