Сверхпроводники I и II рода.
Существует два рода сверхпроводников, магнитные свойства которых, в частности проникновение магнитного поля в сверхпроводник (т. е. эффект Мейснера), существенно различаются. Происхождение этих различий связано с величиной отношения двух характерных длин λ и ξ. Магнитная длина λ характеризует глубину проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Длина когерентности ξ дает масштаб расстояний, на которых электроны сверхпроводника ”чувствуют” друг друга и в результате движутся когерентно. Материалы с ξ > λ называют сверхпроводниками I рода, а в случае ξ < λ говорят о сверхпроводниках II рода. К сверхпроводникам I рода относятся, как правило, чистые металлы. Для них типичны λ ∼ 300 Å и ξ ∼ 104 Å. К сверхпроводникам II рода принадлежат грязные металлы, сплавы. Для них характерны ξ = 50 Å и λ ∼ 103 Å.В сверхпроводнике II рода самопроизвольно зарождаются вихревые токи.
Вихри Абрикосова.
Абрикосов выделил такие сверхпроводники в особое семейство и назвал их сверхпроводниками второй группы (или, как говорят сейчас, второго рода). Из его уравнений следует, что внешнее магнитное поле проникает в сверхпроводник второго рода в виде нитей, которые называют вихрями Абрикосова. Каждый вихрь несет единственный квант магнитного потока, предсказанный еще Фрицем Лондоном. Сердцевина вихря представляет собой трубку радиусом порядка длины когерентности, и вещество в ней находится не в сверхпроводящем, а в нормальном состоянии. Трубку охватывают вихревые токи, текущие внутри слоя толщиной примерно с лондоновскую глубину проникновения, которые экранируют от магнитного поля сверхпроводящие зоны между вихрями. В результате возникает смешанное состояние (тоже термин Абрикосова), в котором сверхпроводник пронизан вкраплениями нормальной фазы.
Плотность вихрей увеличивается по мере нарастания магнитного поля. Если оно лишь немного превосходит Hc1, вихри выстраиваются далеко друг от друга и почти не взаимодействуют между собой. При увеличении поля токи соседних вихрей перекрываются, и между вихрями возникают силы отталкивания. Из-за этого вихри формируют нечто вроде кристаллической решетки, которая в однородных сверхпроводниках состоит из треугольных ячеек. При возрастании поля ячейки стягиваются, и по достижении Нс2 нормальные сердцевины соседних вихрей сливаются друг с другом. Объемная сверхпроводимость разрушается, и внешнее магнитное поле полностью проникает внутрь образца. Таким образом, теория Абрикосова объяснила экспериментальные результаты харьковских физиков. А смешанное состояние сверхпроводника второго рода нередко называют шубниковской фазой.
Явление квантования магнитного потока играет большую роль в сверх- проводниках II рода. Как мы помним, это сверхпроводники, у кото- рых лондоновская длина проникновения λ значительно больше длины когерентности ξ. Вследствие этого поверхностная энергия на границе сверхпроводящей и нормальной фаз при определенных условиях может стать отрицательной. Тогда ясно, что в сверхпроводящей фазе долж- ны появиться очень измельченные N (нормальные) области, т. к. вы- годна именно обширная поверхность раздела. При заданном потоке на бесконечности N области будут иметь форму тонких цилиндрических трубочек, через которые и проходят силовые линии магнитного поля — рис. 6. По периферии такой трубочки течет незатухающий сверхпрово- дящий ток. Такую вот трубочку и называют вихрем. Абрикосовским вихрем, поскольку Абрикосов 1 был первый, кто догадался о существо- вании таких вихрей в сверхпроводниках II рода (и вообще понял, что в природе существует два типа сверхпроводников).
Структура абрикосовского вихря выглядит следующим образом — рис. 7. В центре вихря имеется сердцевина, размером порядка длины когерент- ности ξ — кор вихря, где плотность сверхпроводящих электронов равна нулю, т. е. там сверхпроводимость разрушена и кор вихря образует собой нормальную фазу N. На б´ольших расстояниях вещество находится в сверхпроводящем состоянии, причем вокруг кора вихря циркулиру- ет незатухающий сверхпроводящий ток I, амплитуда которого убывает вглубь S области и сходит на нет на расстоянии от кора порядка λ.
А при чем здесь квантование магнитного потока? А притом, что поток магнитного поля через абрикосовский вихрь в точности равен кванту магнитного потока Φ0 = hc/2e. Каждый абрикосовский вихрь несет в себе квант магнитного потока Φ0. Пользуясь этим, можно оценить при каком магнитном поле в сверхпроводнике появится первый вихрь.
При меньших полях магнитное поле не проникает в сверхпроводник II рода, а начиная с H = Hc1 начинается его проникновение в виде абрикосовских вихрей. Поле Hc1 называют первым критическим полем.
Фазовая диаграмма для сверхпроводника II рода выглядит следующим образом — рис. 8. Состояние сверхпроводника с абрикосовскими вихрями
называется фазой Шубникова или смешанным состоянием. В поле Hc2 нормальные области (центры вихрей) начинают перекрываться, и весь сверхпроводник переходит в нормальное состояние. Остается только тон- кий сверхпроводящий приповерхностный слой, который разрушается в поле Hc3.
Вихри «небезразличны» друг другу: текущие в них токи создают вза- имные помехи, поэтому параллельные вихри отталкиваются. Они стара- ются держаться подальше друг от друга, но когда их много, то оттал- кивание идет со всех сторон. Подобно атомам кристалла, вихри (в до- статочно чистом сверхпроводнике) образуют правильную решетку. Если смотреть в направлении магнитного поля, как бы с торца цилиндриков вихрей, то, как правило, получается картина треугольной решетки. Ее удалось наблюдать экспериментально приблизительно теми же способа- ми, что и промежуточное состояние сверхпроводников I рода, но, конеч- но, с помощью микроскопа.
Эффект Дфозефсона Электроны (точнее, куперовские пары) в сверхпроводнике движутся как единое целое, причем их количество не может резко меняться в окрестностях, меньших длины когерентности, которая намного больше межатомных расстояний. А это означает, что состояние сверхпроводимости как бы «выходит» за пределы границы сверхпроводника (если ему не мешает магнитное поле) и распространяется (в пределах длины когерентности) на соседние области. Поэтому, если разделить два сверхпроводника диэлектриком меньшей толщины, мы получим так называемый контакт Джозефсона, называемый также слабым звеном сверхпроводящей цепи. Электроны туннелируют сквозь такой барьер, и через контакт течет сверхпроводящий ток. Поскольку по разные стороны контакта куперовские пары движутся в различных фазах, ток через слабое звено определяется их разностью, то есть интерференцией волновых функций. На основе эффекта Джозефсона построены самые чувствительные приборы для измерения магнитного поля — сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства, сквиды (от англ. superconducting quantum interference device, SQUID). Один из вариантов конструкции сквидов представляет собой петлю из сверхпроводника с двумя слабыми звеньями, через которые течет постоянный ток.
Изменение магнитного потока через петлю сквида порождает в ней кольцевой ток, который изменяет баланс токов между слабыми звеньями. При этом со сквида можно снимать напряжение, зависящее от изменения магнитного потока. На иллюстрации показано изменение напряжения при возрастании магнитного поля, причем каждому периоду соответствует изменение на единичный квант магнитного потока. Чувствительность сквидов очень высока - они позволяют обнаруживать изменения магнитного поля менее чем в 10−14 тесла. Один из наиболее известных примеров применения сквидов — магнитоэнцефалография, регистрация очень слабых магнитных полей (порядка 10−13 тесла), возникающих в процессе электрической активности мозга.
Высокотемпературная сверхпроводимость.
Высокотемпературная сверхпроводимость — сверхпроводимость при относительно больших температурах. Исторически граничной величиной является температура в 30 К, однако ряд авторов под ВТСП подразумевает сверхпроводники с критической температуройвыше точки кипения азота (77 К или −196 °C).
Как правило, реализуется в семействе материалов сверхпроводящих керамик с общей структурной особенностью - относительно хорошо разделёнными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников.
В настоящее время рекордным значением критической температуры Tc =135 K (под давлением Tc=165 K, −109 °C) обладает вещество HgBa2Ca2Cu3O8+x, открытое в 1993 г. С. Н. Путилиным и Е. В. Антиповым из МГУ. Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Последовательной теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко многим экспериментальным и теоретическим результатам, и интерес в этой области — не только в достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. Первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La2xBaxCuO4 открыли Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 г. За это открытие в 1987 г. им была немедленно присуждена Нобелевская премия.