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根据对外加磁场的不同响应情况,超导体被分为第一类超导体和第二类超导体。超导体只有在外界温度低于其超导临界温度Tc以及外界磁场强度低于其超导临界磁场Hc是才处于超导状态,当温度T>Tc或者磁场H>Hc时,超导态就会被破坏,超导体就和普通导体一样,失去了零电阻以及完全抗磁性(迈斯纳效应)的特性。

温度磁场 H vs T 相图编辑

 
第二类超导体温度磁场 H vs T 相图

第一类超导体只有一个临界磁场Hc,在H<Hc(T<Tc)时,超导体处于超导态,没有电阻及完全抗磁(迈斯纳效应),而当H>Hc时,超导体立即变为普通导体,这个相变是一级相变。第二类超导体有两个临界磁场Hc1Hc2,当H<Hc1(T<Tc)时,第二类超导体和第一类超导体一样,没有电阻及完全抗磁(迈斯纳效应);当Hc1<H<Hc2(T<Tc)时,第二类超导体依然处于超导态,电阻为零,但是磁场可以渗透进入超导体内部,不具有完全抗磁性,渗透的磁场以涡旋的形式存在,涡旋的中心不超导,超导体其余部分依然处于超导态。随着磁场的增加,涡旋的半径逐渐增大,当H=Hc2时,相邻涡旋开始交叠,整个超导体内部都被磁场渗透,超导态被完全破坏。

磁矩磁场关系 M vs H编辑

 
第二类超导体 M vs H

第二类超导体处于迈斯纳态时, ; 处于涡旋态时, ;处于正常导体态时, .

涡旋态编辑

 
第二类超导体涡旋态

第二类超导体处于涡旋态时,磁场以涡旋的形式渗透到超导体内部。涡旋的半径为超导相干长度ξ决定,其中心磁场等于外加磁场,外围被超导电流环绕,远离涡旋核心,磁场以指数形式衰减,衰减长度为伦敦穿透深度λ,并且λ>ξ。λ和ξ的大小也决定了两个临界磁场Hc1Hc2的大小:

 

 

其中 Φ0 = h/(2e) ≈ 2.067833758(46)×10−15 wb,是量子磁通

涡旋的形成是因为在Hc1<H<Hc2时,磁场的渗透产生一个负的表面能,系统的自由能比迈斯纳态或者正常态都低,所以系统选择了这样一个涡旋态。当H>Hc2时,磁场附加给系统的能量大于负的表面能,系统进入正常态才能保证自由能最小,从而选择正常态。表面能的正负由伦敦穿透深度λ与超导相干干长度ξ的比值κ=λ/ξ(金兹堡-朗道参数)决定, κ<1/√2且H>Hc1时,表面能为正,超导体直接进入正常态,这就是第一类超导体的情况; κ>1/√2且H>Hc1时,表面能为负,超导体进入涡旋态,这就是第二类超导体。

第二类超导体材料编辑

第二类超导体通常为合金材料高温超导体铜氧化物超导体铁基超导体都属于第二类超导体。

应用编辑

相较于第一类超导体微小的临界磁场,第二类超导体的上限临界磁场Hc2都很大,例如由铌,铝,锗合成的合金超导材料的Hc2可以达到大于40 特斯拉[1]。这使得第二类超导体可以被用来制作强磁场超导线圈,这类强磁场超导线圈被广泛应用于核磁共振成像(MRI)核磁共振(NMR),粒子加速器磁悬浮,低温强磁场科研仪器等各个领域。

延伸阅读编辑

  • ^ G. Clemente, F. Habbal1, D. Turnbull and J. Bevk. High magnetic field transport properties of liquid quenched Nb3Al and Nb3Al(Si,Ge) superconducting compounds. Appl. Phys. Lett. 1985, 47 (640). doi:10.1063/1.96043.