Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Сверхпроводник, характеризующийся образованием магнитных вихрей во внешнем магнитном поле.
Superconductor characterized by the formation of magnetic vortices in an applied magnetic field
В сверхпроводимости сверхпроводник II рода – это сверхпроводник, демонстрирующий промежуточную фазу, сочетающую в себе обычные и сверхпроводящие свойства, при промежуточных температурах и магнитных полях, превышающих критические значения для сверхпроводящего состояния. Для него также характерно образование магнитных вихрей при воздействии внешнего магнитного поля. Это происходит при превышении определенной критической напряженности поля Hc1. Плотность вихрей возрастает с увеличением напряженности поля. При более высокой критической напряженности поля Hc2 сверхпроводимость разрушается. Сверхпроводники II рода не проявляют полного эффекта Мейснера.
In superconductivity, a type II superconductor is a superconductor that exhibits an intermediate phase of mixed ordinary and superconducting properties at intermediate temperature and fields above the superconducting phases. It also features the formation of magnetic field vortices with an applied external magnetic field. This occurs above a certain critical field strength Hc1. The vortex density increases with increasing field strength. At a higher critical field Hc2, superconductivity is destroyed. Type II superconductors do not exhibit a complete Meissner effect.
История
В 1935 году Я. Н. Рябинин и Лев Шубников экспериментально обнаружили сверхпроводники второго рода. В 1950 году теория двух типов сверхпроводников была далее развита Львом Ландау и Виталием Гинзбургом в их работе по теории Гинзбурга — Ландау. В их рассуждениях, сверхпроводник первого рода обладал положительной свободной энергией на границе раздела с нормальным металлом. Гинзбург и Ландау указали на возможность существования сверхпроводников второго рода, которые должны формировать неоднородное состояние в сильных магнитных полях. Однако в то время все известные сверхпроводники были сверхпроводниками первого рода, и они отметили, что отсутствовали экспериментальные основания для детального изучения структуры сверхпроводящего состояния второго рода. Теория поведения сверхпроводящего состояния второго рода в магнитном поле была значительно усовершенствована Алексеем Алексеевичем Абрикосовым, который развивал идеи Ларса Онсагера и Ричарда Фейнмана о квантовых вихрях в сверхтекучих жидкостях. Решение о квантовых вихрях в сверхпроводнике также тесно связано с работой Фрица Лондона о квантовании магнитного потока в сверхпроводниках. Нобелевская премия по физике за теорию сверхпроводности второго рода была присуждена в 2003 году.
In 1935, J. N. Rjabinin and Lev Shubnikov experimentally discovered the type II superconductors. In 1950, the theory of the two types of superconductors was further developed by Lev Landau and Vitaly Ginzburg in their paper on Ginzburg–Landau theory. In their argument, a type I superconductor had positive free energy of the superconductor normal metal boundary. Ginzburg and Landau pointed out the possibility of type II superconductors that should form inhomogeneous state in strong magnetic fields. However, at that time, all known superconductors were type I, and they commented that there was no experimental motivation to consider precise structure of type II superconducting state. The theory for the behavior of the type II superconducting state in magnetic field was greatly improved by Alexei Alexeyevich Abrikosov, who was elaborating on the ideas by Lars Onsager and Richard Feynman of quantum vortices in superfluids. Quantum vortex solution in a superconductor is also very closely related to Fritz London's work on magnetic flux quantization in superconductors. The Nobel Prize in Physics was awarded for the theory of type II superconductivity in 2003.
Состояние вихря
Теория Гинцбурга-Ландау ввела сверхпроводящую когерентную длину ξ в дополнение к лондонской глубине проникновения магнитного поля λ. Согласно теории Гинцбурга и Ландау, в сверхпроводнике типа II Гинцбург и Ландау показали, что это приводит к отрицательной энергии границы раздела между сверхпроводящей и нормальной фазами. Существование отрицательной энергии границы раздела также было известно с середины 1930-х годов из ранних работ братьев Лондонов. Отрицательная энергия границы раздела указывает на то, что система должна быть нестабильна по отношению к увеличению числа таких границ раздела. Эта нестабильность не была обнаружена до экспериментов Шубникова в 1936 году, в которых были найдены два критических поля. В 1952 году Заварицкий также сообщил о наблюдении сверхпроводимости II рода. Фриц Лондон продемонстрировал, что магнитный поток может проникать в сверхпроводник через топологический дефект, имеющий целую фазовую обмотку и переносящий квантованный магнитный поток. Онсагер и Фейнман показали, что квантовые вихри должны формироваться в сверхтекучих жидкостях. Статья 1957 года А. А. Абрикосова обобщает эти идеи. В пределе очень короткой когерентной длины решение для вихря идентично лондоновскому флюсоиду.
Ginzburg–Landau theory introduced the superconducting coherence length ξ in addition to London magnetic field penetration depth λ. According to Ginzburg–Landau theory, in a type II superconductor Ginzburg and Landau showed that this leads to negative energy of the interface between superconducting and normal phases. The existence of the negative interface energy was also known since the mid 1930s from the early works by the London brothers. A negative interface energy suggests that the system should be unstable against maximizing the number of such interfaces. This instability was not observed until the experiments of Shubnikov in 1936 where two critical fields were found. In 1952 an observation of type II superconductivity was also reported by Zavaritskii. Fritz London demonstrated that a magnetic flux can penetrate a superconductor via a topological defect that has integer phase winding and carries quantized magnetic flux. Onsager and Feynman demonstrated that quantum vortices should form in superfluids. A 1957 paper by A. A. Abrikosov generalizes these ideas. In the limit of very short coherence length the vortex solution is identical to London's fluxoid,
Если сверхпроводник охлаждается в магнитном поле, поле может быть захвачено, что позволяет сверхпроводнику левитировать над магнитом, создавая потенциал для бесконтактного соединения или подшипника. Практическая ценность фиксации магнитного потока проявляется в многочисленных применениях, таких как лифты, бесконтактные соединения и транспортные системы. Чем тоньше сверхпроводящий слой, тем сильнее фиксация потока, возникающая при воздействии магнитного поля.
If a superconductor is cooled in a field, the field can be trapped, which can allow the superconductor to be suspended over a magnet, with the potential for a frictionless joint or bearing. The worth of flux pinning is seen through many implementations such as lifts, frictionless joints, and transportation. The thinner the superconducting layer, the stronger the pinning that occurs when exposed to magnetic fields.
Материалы
Сверхпроводники типа II обычно изготавливаются из сплавов металлов или сложных оксидных керамик. Все высокотемпературные сверхпроводники являются сверхпроводниками типа II. В то время как большинство элементарных сверхпроводников относятся к типу I, ниобий, ванадий и технеций являются элементарными сверхпроводниками типа II. Алмаз, легированный бором, и кремний также являются сверхпроводниками типа II. Сверхпроводники на основе сплавов металлов также могут демонстрировать поведение типа II (например, ниобий-титан, один из наиболее распространенных сверхпроводников в прикладной сверхпроводимости), как и межметаллические соединения, такие как ниобий-олово. Другими примерами типа II являются купратные перовскитные керамические материалы, достигшие самых высоких сверхпроводящих критических температур. К ним относятся La1.85Ba0.15CuO4, BSCCO и YBCO (оксид иттрия, бария и меди), известный как первый материал, достигший сверхпроводимости выше температуры кипения жидкого азота (77 К). Благодаря сильному закреплению вихрей, купраты близки к идеальным твердым сверхпроводникам.
Type II superconductors are usually made of metal alloys or complex oxide ceramics. All high temperature superconductors are type II superconductors. While most elemental superconductors are type I, niobium, vanadium, and technetium are elemental type II superconductors. Boron doped diamond and silicon are also type II superconductors. Metal alloy superconductors can also exhibit type II behavior (e. g., niobium–titanium, one of the most common superconductors in applied superconductivity), as well as intermetallic compounds like niobium–tin. Other type II examples are the cuprate perovskite ceramic materials which have achieved the highest superconducting critical temperatures. These include La1.85Ba0.15CuO4, BSCCO, and YBCO (Yttrium Barium Copper Oxide), which is famous as the first material to achieve superconductivity above the boiling point of liquid nitrogen (77 K). Due to strong vortex pinning, the cuprates are close to ideally hard superconductors.
Важные применения
Сильные сверхпроводящие электромагниты (используемые в томографах МРТ, приборах ЯМР и ускорителях частиц) часто используют катушки, намотанные проводами из ниобия-титана или, для более высоких полей, проводами из ниобия-олова. Эти материалы являются сверхпроводниками II рода с высоким верхним критическим полем Hc2, и, в отличие, например, от купратных сверхпроводников с еще более высоким Hc2, их можно легко обрабатывать в провода. Однако в последнее время сверхпроводящие ленты второго поколения позволяют заменять более дешевые провода на основе ниобия гораздо более дорогими, но сверхпроводящими при значительно более высоких температурах и магнитных полях лентами "второго поколения".
Strong superconducting electromagnets (used in MRI scanners, NMR machines, and particle accelerators) often use coils wound of niobium titanium wires or, for higher fields, niobium tin wires. These materials are type II superconductors with substantial upper critical field Hc2, and in contrast to, for example, the cuprate superconductors with even higher Hc2, they can be easily machined into wires. Recently, however, 2nd generation superconducting tapes are allowing replacement of cheaper niobium based wires with much more expensive, but superconductive at much higher temperatures and magnetic fields "2nd generation" tapes.