Nadprzewodnik typu II - Type-II superconductor

Zachowanie nadprzewodzące w zmiennych warunkach pola magnetycznego i temperatury. Wykres przedstawia strumień magnetyczny B w funkcji temperatury bezwzględnej T . Krytyczne gęstości strumienia magnetycznego B C1 i B C2 i temperatura krytyczna T C są oznakowane. W dolnym obszarze tego wykresu nadprzewodniki typu I i typu II wykazują efekt Meissnera (a). Stan mieszany (b), w którym niektóre linie pola są uchwycone w wirach pola magnetycznego, występuje tylko w nadprzewodnikach typu II w ograniczonym obszarze wykresu. Poza tym obszarem właściwość nadprzewodnictwa załamuje się, a materiał zachowuje się jak normalny przewodnik (c).
Wiry w kliszy YBCO o grubości 200 nm zobrazowane za pomocą mikroskopu skaningowego SQUID

W nadprzewodnictwa , A typu II nadprzewodnik jest nadprzewodnik, który wykazuje fazę pośrednią mieszanych zwykłe i właściwości nadprzewodzące w temperaturze pośredniej i pola powyższych etapów nadprzewodzące. Charakteryzuje się również powstawaniem wirów pola magnetycznego z przyłożonym zewnętrznym polem magnetycznym . Dzieje się to powyżej pewnego krytycznego natężenia pola H c1 . Gęstość wirów wzrasta wraz ze wzrostem natężenia pola. Przy wyższej krytycznej pola H c2 , nadprzewodnictwa jest zniszczona. Nadprzewodniki typu II nie wykazują pełnego efektu Meissnera .

Historia

W 1935 Rjabinin i Shubnikov eksperymentalnie odkryli nadprzewodniki typu II. W 1950 r. teorię dwóch typów nadprzewodników rozwinęli Lev Landau i Vitaly Ginzburg w pracy o teorii Ginzburga-Landaua . W ich argumentacji nadprzewodnik typu I miał dodatnią energię swobodną granicy nadprzewodnik-normalny metal. Ginzburg i Landau wskazali na możliwość powstania nadprzewodników typu II, które powinny tworzyć stan niejednorodny w silnych polach magnetycznych. Jednak w tamtym czasie wszystkie znane nadprzewodniki należały do ​​typu I i stwierdzili, że nie było motywacji eksperymentalnej do rozważenia dokładnej struktury stanu nadprzewodzącego typu II. Teoria zachowania stanu nadprzewodzącego typu II w polu magnetycznym została znacznie ulepszona przez Aleksieja Aleksiejewicza Abrikosowa , który rozwijał idee Larsa Onsagera i Richarda Feynmana dotyczące wirów kwantowych w nadcieczach . Kwantowe rozwiązanie wiru w nadprzewodniku jest również bardzo blisko związane z pracami Fritza Londona nad kwantyzacją strumienia magnetycznego w nadprzewodnikach. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki przyznano za teorię nadprzewodnictwa typu II w 2003 roku.

Stan wirowy

Teoria Ginzburga-Landaua wprowadziła długość koherencji nadprzewodzącej ξ oprócz głębokości penetracji pola magnetycznego Londynu λ . Zgodnie z teorią Ginzburga-Landaua w nadprzewodniku typu II . Ginzburg i Landau wykazali, że prowadzi to do ujemnej energii na granicy faz nadprzewodzących i normalnych. Istnienie ujemnej energii interfejsu było również znane od połowy lat 30. z wczesnych prac braci londyńskich. Ujemna energia granicy faz sugeruje, że układ powinien być niestabilny w stosunku do maksymalizacji liczby takich interfejsów, czego nie zaobserwowano w pierwszych eksperymentach na nadprzewodnikach, przed eksperymentami Shubnikova w 1936 r., w których znaleziono dwa krytyczne pola. W 1952 roku Zavaritskii doniósł również o obserwacji nadprzewodnictwa typu II. Fritz London wykazał, że strumień magnetyczny może przenikać do nadprzewodnika poprzez defekt topologiczny, który ma uzwojenie fazy całkowitej i przenosi skwantowany strumień magnetyczny. Onsager i Feynman wykazali, że w nadcieczach powinny powstawać wiry kwantowe. Uogólniając tę ​​ideę, w 1957 r. AA Abrikosov wykazał, że stan mieszany nadprzewodnika typu II jest siecią wirów kwantowych. W granicy bardzo krótkiej koherencji rozwiązanie wirowe jest identyczne z fluxoidem Londynu, gdzie rdzeń wiru jest aproksymowany przez ostre odcięcie zamiast stopniowego zanikania kondensatu nadprzewodzącego w pobliżu centrum wiru. Abrikosov odkrył, że wiry układają się w regularny układ znany jako sieć wirowa . W pobliżu tak zwanego górnego krytycznego pola magnetycznego problem nadprzewodnika w polu zewnętrznym jest równoważny problemowi stanu wirowego w wirującym nadcieczy, omawianym przez Larsa Onsagera i Richarda Feynmana .

Przypinanie strumienia

Pamięć pozycji dzięki szpilkom wirowym w nadprzewodniku wysokotemperaturowym

W stanie wirowym możliwe staje się zjawisko znane jako przypinanie strumienia . Nie jest to możliwe w przypadku nadprzewodników typu I , ponieważ nie mogą być one przeniknięte przez pola magnetyczne.

Jeśli nadprzewodnik jest chłodzony w polu, pole to może zostać uwięzione, co może umożliwić zawieszenie nadprzewodnika nad magnesem, z możliwością powstania połączenia lub łożyska bez tarcia. Wartość przypinania strumienia jest widoczna w wielu wdrożeniach, takich jak windy, połączenia bez tarcia i transport. Im cieńsza warstwa nadprzewodząca, tym silniejsze unieruchomienie, które występuje pod wpływem pól magnetycznych.

Materiały

Nadprzewodniki typu II są zwykle wykonane ze stopów metali lub złożonej ceramiki tlenkowej . Wszystkie nadprzewodniki wysokotemperaturowe są nadprzewodnikami typu II. Podczas gdy większość nadprzewodników pierwiastkowych to nadprzewodniki typu I, niob , wanad i technet to nadprzewodniki pierwiastkowe typu II. Boru -doped diamentu i krzem są także typu II nadprzewodnikami. Nadprzewodniki ze stopów metali wykazują również zachowanie typu II ( np. niob-tytan i niob-cyna ).

Innymi przykładami typu II są materiały ceramiczne miedziano - perowskitowe , które osiągnęły najwyższe krytyczne temperatury nadprzewodnictwa. Należą do nich La 1,85 Ba 0,15 CuO 4 , BSCCO i YBCO ( itr - bar - miedź - tlenek ), który jest znany jako pierwszy materiał osiągający nadprzewodnictwo powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu (77 K). Z powodu silnego spinania wirów miedziany są zbliżone do idealnie twardych nadprzewodników .

Ważne zastosowania

Silne elektromagnesy nadprzewodzące (stosowane w skanerach MRI , NMR i akceleratorach cząstek ) często wykorzystują cewki nawinięte drutami niobowo-tytanowymi lub, w przypadku wyższych pól, drutami niobowo-cynowymi . Te materiały typu II nadprzewodnik o znacznej górnej krytycznej pola H C2 , w przeciwieństwie do, na przykład, nadprzewodniki miedzianu, większa H c2 , mogą być łatwo obrabiane do przewodów. Ostatnio jednak taśmy nadprzewodnikowe drugiej generacji umożliwiają zastąpienie tańszych przewodów na bazie niobu znacznie droższymi, ale nadprzewodnikowymi w znacznie wyższych temperaturach i polach magnetycznych, taśmami „drugiej” generacji.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Wells, Fryderyk S.; Pan, Aleksiej V.; Wang, X. Renshaw; Fedoseev, Siergiej A.; Hilgenkamp, ​​Hans (2015). "Analiza niskopolowego izotropowego szkła wirowego zawierającego grupy wirowe w cienkich warstwach YBa 2 Cu 3 O 7−x wizualizowanych metodą skaningowej mikroskopii SQUID" . Raporty naukowe . 5 : 8677. arXiv : 1807.06746 . Kod Bibcode : 2015NatSR...5E8677W . doi : 10.1038/srep08677 . PMC  4345321 . PMID  25728772 .
  2. ^ Tinkham, M. (1996). Wprowadzenie do nadprzewodnictwa, wydanie drugie . Nowy Jork, NY: McGraw-Hill. Numer ISBN 0486435032.
  3. ^ Rjabinin, JN i Schubnikow, LW (1935) " Właściwości magnetyczne i prądy krytyczne stopów nadprzewodzących ", Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion , tom. 7, nr 1, s. 122–125.
  4. ^ Rajbinin, JN; Shubnikow, LW (1935). „Właściwości magnetyczne i krytyczne prądy stopów nadprzewodzących”. Natura . 135 (3415): 581. Kod Bib : 1935Natur.135..581R . doi : 10.1038/135581a0 .
  5. ^ Ginzburg, VL i Landau, LD (1950) Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20 , 1064
  6. ^ a b AA Abrikosov, „Nadprzewodniki typu II i sieć wirowa” , Wykład Nobla, 8 grudnia 2003
  7. ^ Londyn, F. (1948-09-01). „O problemie molekularnej teorii nadprzewodnictwa”. Przegląd fizyczny . 74 (5): 562–573. doi : 10.1103/PhysRev.74.562 .
  8. ^ B Londyn Fritz (1961). Superciecze (wyd. 2). Nowy Jork: Dover.
  9. ^ Onsager, L. (marzec 1949). „Hydrodynamika statystyczna”. Il Nuovo Cimento . 6 (S2): 279–287. doi : 10.1007/BF02780991 . ISSN  0029-6341 .
  10. ^ Feynman, RP (1955), "Zastosowanie mechaniki kwantowej do ciekłego helu", w WP Halperin (red.), Postęp w fizyce niskich temperatur , 1 , Elsevier, s. 17-53, doi : 10.1016/s0079-6417 ( 08) 60077-3 , ISBN 978-0-444-53307-4
  11. ^ „Dziennik Fizyki Doświadczalnej i Teoretycznej” . www.jetp.ac.ru . Pobrano 2021-04-11 .
  12. ^ Rosen, J., Ph.D. i Quinn, L. „Nadprzewodnictwo”. W K. Cullen (red.), Encyklopedia nauk fizycznych .