Сверхпроводники второго рода

Сверхпроводники второго рода — это класс сверхпроводящих материалов, которые в отличие от сверхпроводников первого рода, способны сохранять нулевое электрическое сопротивление в сильных магнитных полях, вплоть до значительно более высоких критических значений. Ключевой особенностью сверхпроводников второго рода является существование смешанного (вихревого) состояния, при котором магнитное поле проникает в образец в виде квантованных вихрей (вихрей Абрикосова), не разрушая сверхпроводимость в остальном объёме.

История открытия

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году Хейке Камерлинг-Оннесом. Долгое время считалось, что все сверхпроводники ведут себя как сверхпроводники первого рода — полностью выталкивают магнитное поле (эффект Мейснера) до определённого критического поля Hc, после чего сверхпроводимость резко разрушается. Однако в 1930-х годах при исследовании сплавов, таких как Pb-Bi и Nb-Sn, были обнаружены аномалии: сверхпроводимость сохранялась в полях, значительно превышающих Hc для чистых металлов.

Теоретическое объяснение этого явления было дано в 1950 году Алексеем Абрикосовым (Нобелевская премия по физике, 2003). Он, развивая теорию Гинзбурга — Ландау, показал, что для материалов с определённым соотношением параметров (параметр Гинзбурга — Ландау κ > 1/√2) возможно существование сверхпроводящего состояния с частичным проникновением магнитного поля в виде вихрей. Это состояние было названо смешанным, а сами материалы — сверхпроводниками второго рода. Экспериментальное подтверждение существования вихревой решётки (решётки Абрикосова) было получено в 1960-х годах с помощью нейтронографии и декорирования магнитными частицами.

Физические основы

Параметр Гинзбурга — Ландау

Различие между сверхпроводниками первого и второго рода определяется безразмерным параметром Гинзбурга — Ландау κ = λ/ξ, где λ — глубина проникновения магнитного поля, а ξ — длина когерентности (минимальное расстояние, на котором может изменяться плотность сверхпроводящих электронов). Если κ < 1/√2 (≈0.707), материал является сверхпроводником первого рода. Если κ > 1/√2 — сверхпроводником второго рода. У чистых металлов, как правило, κ мало, у сплавов и интерметаллидов — велико.

Критические поля

Для сверхпроводников второго рода существуют два критических магнитных поля:

• Нижнее критическое поле Hc1: при достижении этого поля магнитное поле начинает проникать в образец в виде отдельных вихрей. Ниже Hc1 наблюдается полный эффект Мейснера.
• Верхнее критическое поле Hc2: при этом поле вихри заполняют весь объём, и сверхпроводимость полностью разрушается. Для высокотемпературных сверхпроводников Hc2 может достигать сотен тесла.

Между Hc1 и Hc2 находится смешанное состояние. Существует также термодинамическое критическое поле Hc, которое характеризует выигрыш в свободной энергии сверхпроводящего состояния по сравнению с нормальным, но оно не является фазовой границей для сверхпроводников второго рода.

Вихри Абрикосова

В смешанном состоянии магнитное поле проникает в сверхпроводник в виде квантованных вихрей (вихрей Абрикосова). Каждый вихрь представляет собой трубку нормального металла (диаметром порядка 2ξ), по оси которой проходит один квант магнитного потока Φ0 = h/2e ≈ 2.07·10⁻¹⁵ Вб. Вокруг этой трубки циркулирует сверхпроводящий ток, экранирующий поле. Вихри образуют упорядоченную треугольную решётку (решётку Абрикосова), которая может быть нарушена дефектами кристаллической решётки.

Пиннинг

В идеальном сверхпроводнике второго рода вихри могут свободно перемещаться под действием электрического тока (сила Лоренца). Это приводит к диссипации энергии и появлению сопротивления (резистивное состояние). Для практического использования необходимо закрепить вихри на дефектах структуры — этот процесс называется пиннингом (от англ. pinning — закрепление). Дефектами могут быть границы зёрен, дислокации, неметаллические включения, облучение. Эффективный пиннинг позволяет достичь высоких критических токов.

Классификация и примеры

Сверхпроводники второго рода делятся на несколько основных типов:

Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП)

Имеют критическую температуру (Tc) ниже 30 К. Классические примеры:

• Сплавы ниобия-титана (NbTi): Tc ≈ 9-10 К, Hc2 ≈ 10-12 Тл. Самый распространённый материал для коммерческих сверхпроводящих магнитов (МРТ, ускорители).
• Интерметаллид Nb₃Sn: Tc ≈ 18 К, Hc2 ≈ 25-30 Тл. Используется в магнитах для более высоких полей, чем NbTi.
• Соединения на основе ванадия (V₃Ga, V₃Si): обладают высокими критическими полями, но менее технологичны.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)

Обладают Tc выше 30 К (часто выше 77 К — температуры кипения жидкого азота). Открыты в 1986 году Георгом Беднорцем и Алексом Мюллером (Нобелевская премия, 1987). Относятся к купратам — керамическим материалам на основе оксидов меди.

• YBa₂Cu₃O₇₋δ (YBCO, иттрий-бариевый купрат): Tc ≈ 92 К. Один из наиболее изученных. Выпускается в виде эпитаксиальных плёнок и лент (второе поколение сверхпроводящих проводов).
• Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (Bi-2223, висмутовый купрат): Tc ≈ 110 К. Используется для изготовления проводов первого поколения (в серебряной оболочке).
• HgBa₂Ca₂Cu₃O₈₊δ (ртутный купрат): Tc ≈ 135 К (при высоком давлении до 164 К). Рекордсмен по Tc среди купратов.
• Железосодержащие сверхпроводники (FeAs, FeSe): открыты в 2008 году. Tc до 56 К. Отличаются от купратов структурой и механизмом спаривания.

Применение

Сверхпроводники второго рода являются основой для большинства практических применений сверхпроводимости благодаря высоким критическим полям и токам.

Создание сильных магнитных полей

• Медицинская диагностика (МРТ): магниты на основе NbTi и Nb₃Sn создают поля 1.5-7 Тл.
• Физика высоких энергий: магниты для ускорителей (Большой адронный коллайдер использует NbTi, поля до 8.3 Тл) и детекторов.
• Термоядерный синтез: магниты для удержания плазмы в токамаках (ITER использует Nb₃Sn и NbTi).
• Научные исследования: магниты для спектроскопии ЯМР (поля до 23.5 Тл и выше).

Электротехника

• Силовые кабели: ВТСП-ленты (YBCO, Bi-2223) позволяют передавать токи в сотни и тысячи ампер с нулевыми потерями. Используются для подземных линий электропередачи в крупных городах.
• Токоограничители: устройства, которые при коротком замыкании переходят в резистивное состояние, резко ограничивая ток.
• Трансформаторы и генераторы: сверхпроводящие обмотки уменьшают габариты и потери.

Транспорт

• Магнитная левитация (маглев): поезда на сверхпроводящих магнитах (например, SCMaglev в Японии) развивают скорость до 603 км/ч.
• Сверхпроводящие подшипники: используются в маховиках для накопления энергии.

Квантовая электроника

• СКВИДы (SQUID): сверхчувствительные датчики магнитного поля на основе джозефсоновских переходов из сверхпроводников второго рода. Применяются в магнитоэнцефалографии, геофизике, дефектоскопии.
• Квантовые компьютеры: кубиты на основе джозефсоновских переходов (трансмон, флаксониум) изготавливаются из алюминия (сверхпроводник первого рода) или ниобия (сверхпроводник второго рода).

Ограничения и проблемы

• Критический ток: при превышении определённой плотности тока вихри срываются с центров пиннинга, возникает сопротивление. Для ВТСП критический ток сильно зависит от ориентации магнитного поля.
• Криогеника: для НТСП требуется жидкий гелий (4.2 К), что дорого и сложно. ВТСП могут работать при температуре жидкого азота (77 К), что значительно дешевле, но всё равно требует криогенного оборудования.
• Механические свойства: ВТСП-керамика хрупкая, требует специальных технологий изготовления (ленты, плёнки).
• Анизотропия: свойства ВТСП сильно зависят от кристаллографического направления, что усложняет их применение в проводах.
• Пиннинг: создание эффективных центров пиннинга — сложная технологическая задача, особенно для ВТСП.

Критика и перспективы

Сверхпроводники второго рода — одна из наиболее активно развивающихся областей физики конденсированного состояния. Основные направления исследований:

• Поиск комнатно-температурных сверхпроводников: теоретически предсказаны для гидридов под высоким давлением (например, H₃S с Tc ≈ 203 К, LaH₁₀ с Tc ≈ 250-260 К). Однако их практическое применение пока невозможно из-за экстремальных давлений (миллионы атмосфер).
• Улучшение пиннинга: создание наноструктурированных материалов с высокой плотностью дефектов.
• Разработка новых ВТСП-материалов: поиск соединений с Tc > 77 К и лучшими механическими свойствами.
• Понимание механизма спаривания: для купратов и железосодержащих сверхпроводников до конца не ясен механизм образования куперовских пар (возможно, магнитный или экситонный).

Источники

1. Абрикосов А. А. Основы теории металлов. — М.: Физматлит, 2010.
2. Шмидт В. В. Введение в физику сверхпроводников. — М.: МЦНМО, 2000.
3. Тилли Д. Р., Тилли Дж. Сверхпроводимость: современные представления. — М.: Мир, 2002.
4. Buckel W., Kleiner R. Superconductivity: Fundamentals and Applications. — Wiley-VCH, 2004.
5. Larbalestier D. et al. High-Tc superconducting materials for electric power applications // Nature. — 2001. — Vol. 414. — P. 368-377.
6. Ginzburg V. L., Landau L. D. On the theory of superconductivity // Zh. Eksp. Teor. Fiz. — 1950. — Vol. 20. — P. 1064.