§ 2. Переход в магнитном поле при п 0

Посмотрим, что произойдет со сверхпроводящей сферой при постепенном повышении Н_а. На первый взгляд можно предположить, что, когдаН_а достигнет значенияН'_с, равного (1 —п) Н_с, при котором внутреннее полеH_i станет равно критическому полюН_с, сфера перейдет в нормальное состояние. Но если бы это имело место,Iдолжна была бы обратиться в нуль, так как в нормальном состоянии восприимчивость равна нулю, и мы получили быHi =H_а = Н'_с, что меньше, чемН_с. Возникла бы невозможная ситуация полностью нормального тела в поле, меньшемН_с. Этот парадокс можно разрешить, допустив, что, когдаH_i становится равнымН_с, возможно равновесное сосуществование сверхпроводящих и нормальных фаз аналогично тому, как жидкость может сосуществовать со своими парами, если давление равнодавлению насыщенных паров. Для упрощения предположим, что, когда H_i достигает значения Н_с, сфера расщепляется на нормальные и сверхпроводящие слои, параллельные приложенному полю (фиг. 26). Некоторые линии магнитного потока огибают сферу, а другие проходят через ее нормальные области. Если окажется, что свободная энергия Гиббса конфигурации, изображенной на фиг. 26, ниже обеих свободных энергий — чисто сверхпроводящего и чисто нормального состояний, то такая система из чередующихся сверхпроводящих и нормальных областей (или какая-либо подобная конфигурация) будет находиться в равновесии при Н'_с < Н_а < Н_с. Мы увидим, что в данном случае это действительно так и что во всей этой области полей H_i остается равным Н_с. Подобная конфигурация из нормальных и сверхпроводящих

Фиг. 26. Расщепление сферы в магнитном поле на нормальные и сверхпроводящие слои.

областей известна как промежуточное состояние и является характерной особенностью переходов в магнитном полелюбого тела, размагничивающий фактор которого не равен нулю. Принятая нами модель, в которой нормальные и сверхпроводящие области являются плоскопараллельными слоями, предельно упрощена. В общем случае тело расщепляется на нормальные и сверхпроводящие слои очень сложным образом. Тем не менее, эта простая модель выявляет неожиданным образом большую часть основныхсвойств промежуточного состояния.

Сверхпроводимость II рода Смешанное состояние

В течение многих лет считали, что свойства, описывающие сверхпроводники I-рода, характеризуют все сверхпроводники. Отмечалось, конечно, что определенные сверхпроводники, особенно сплавы и грязные металлы, не проявляют ожидаемых свойств, но обычно их аномальное поведение объяснялось влиянием примесей; они не считались объектами, представляющими научный интерес, а, следовательно, и не делалось попыток их серьезного изучения. Однако в 1957 г. Абрикосов опубликовал теоретическую работу, в которой заметил, что может существовать другой класс сверхпроводников с совершенно иными свойствами, и теперь очевидно, что аномальные свойства определенных сверхпроводников являются не просто проявлением влияния примесей, а внутренне присущи этому другому типу сверхпроводников, известных теперь как сверхпроводники II рода.

Одним из характерных свойств сверхпроводников I рода является эффект Мейсснера, т. е. выталкивание магнитного потока из толщи сверхпроводника в результате наложения внешнего магнитного поля. Как упоминалось ранее, наличие идеального диамагнетизма связано с существованием поверхностной энергии на границе между нормальной и сверхпроводящей областями металла. Эта поверхностная энергия играет весьма существенную роль при определении свойств сверхпроводника; от нее, например, зависит, является данный материал сверхпроводником I или II рода.

Рассмотрим сверхпроводящее тело, помещенное в магнитное поле с напряженностью, меньшей его критического значения Н_c, и предположим, что внутри вещества возникает нормальная область с границами, параллельными направлению приложенного магнитного поля. Появление такой нормальной области должно изменить свободную энергию сверхпроводника. В это изменение свободной энергии вносит вклад, как сама нормальная область, так и поверхность между фазами. Как мы видели в гл. 4, в приложенном магнитном поле с напряженностью Н_а свободная энергия на единицу объема в нормальном состоянии больше той же энергии в сверхпроводящем, идеально диамагнитном состоянии на величину 1/2₀.Кроме того, имеется поверхностная энергия, связанная с наличием границы между нормальной и сверхпроводящей областями. Для сверхпроводников I рода эта поверхностная энергия положительна. Следовательно, если внутри сверхпроводника возникает нормальная область, то свободная энергия должна увеличиться как за счет нормальной области, так и за счет ее границы. По этой причине возникновение нормальной области энергетически невыгодно, и сверхпроводники I рода во внешнем магнитном поле с напряженностью, меньшей H_с, остаются полностью сверхпроводящими.

Предположим, однако, что в некоторых металлах поверхностная энергия между нормальной и сверхпроводящей областями не положительна, а отрицательна (т.е. при образовании границы происходит выделение энергии). В этом случае возникновение нормальной области будет понижать свободную энергию, если рост ее, связанный с самой нормальной областью, будет меньше, чем падение за счет поверхностной энергии. Для образца понижение его полной свободной энергии более выгодно энергетически, а потому, если отрицательная поверхностная энергия достаточно велика, можно ожидать, что в образце при наложении магнитного поля возникнет большое число нормальных областей, стремящихся свести к минимуму свободную энергию. Вещество распадется на некую смесь из мелких сверхпроводящих и нормальных областей, границы которых параллельны направлению приложенного поля, поскольку такая конфигурация обеспечивает максимальную площадь границ по отношению к объему нормального материала. Мы будем называть такое состояние смешанным состоянием. В дальнейшем будет показано, что в некоторых сверхпроводниках поверхностная энергия отрицательна. Эти металлы могут поэтому переходить в смешанное состояние и являются сверхпроводниками II рода.

Очень важно отличать смешанное состояние сверхпроводников II рода от промежуточного состояния сверхпроводников I рода. Промежуточное состояние возникает в сверхпроводниках I рода с фактором размагничивания, отличным от нуля, и зависит от формы тела. Смешанное же состояние является внутренним свойством сверхпроводников II рода и возникает даже в теле с фактором размагничивания, равным нулю (например, в длинном стержне, находящемся в параллельном поле). Кроме того, структура промежуточного состояния относительно груба, и ее можно увидеть невооруженным глазом. Структура же смешанного состояния, как мы увидим, значительно мельче с периодичностью меньше 10^-5 см.