第二類超導體

根據對外加磁場的不同響應情況，超導體被分為第一類超導體和第二類超導體。超導體只有在外界溫度低於其超導臨界溫度T_c以及外界磁場強度低於其超導臨界磁場H_c是才處於超導狀態，當溫度T>T_c或者磁場H>H_c時，超導態就會被破壞，超導體就和普通導體一樣，失去了零電阻以及完全抗磁性（邁斯納效應）的特性。1935年由蘇聯科學家列夫·舒勃尼科夫首先發現。

溫度磁場 H vs T 相圖

第一類超導體只有一個臨界磁場H_c，在H<H_c(T<T_c)時，超導體處於超導態，沒有電阻及完全抗磁(邁斯納效應)，而當H>H_c時，超導體立即變為普通導體，這個相變是一級相變。第二類超導體有兩個臨界磁場H_c1和H_c2，當H<H_c1(T<T_c)時，第二類超導體和第一類超導體一樣，沒有電阻及完全抗磁(邁斯納效應)；當H_c1<H<H_c2(T<T_c)時，第二類超導體依然處於超導態，電阻為零，但是磁場可以滲透進入超導體內部，不具有完全抗磁性，滲透的磁場以渦旋的形式存在，渦旋的中心不超導，超導體其餘部分依然處於超導態。隨着磁場的增加，渦旋的半徑逐漸增大，當H=H_c2時，相鄰渦旋開始交疊，整個超導體內部都被磁場滲透，超導態被完全破壞。

磁矩磁場關係 M vs H

第二類超導體處於邁斯納態時， $B=\mu _{0}(M+H)=0\Longrightarrow M=-H$ ; 處於渦旋態時， $B>0\Longrightarrow M<-H$ ；處於正常導體態時， $B=\mu _{0}H\Longrightarrow M=0$ .

渦旋態

第二類超導體處於渦旋態時，磁場以渦旋的形式滲透到超導體內部。渦旋的半徑為超導相干長度ξ決定，其中心磁場等於外加磁場，外圍被超導電流環繞，遠離渦旋核心，磁場以指數形式衰減，衰減長度為倫敦穿透深度λ，並且λ>ξ。λ和ξ的大小也決定了兩個臨界磁場H_c1和H_c2的大小：

$Hc_{1}(T)={\frac {\Phi _{0}}{4\pi \lambda (T)^{2}}}$

$Hc_{2}(T)={\frac {\Phi _{0}}{2\pi \xi (T)^{2}}}$

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

渦旋的形成是因為在H_c1<H<H_c2時，磁場的滲透產生一個負的表面能，系統的自由能比邁斯納態或者正常態都低，所以系統選擇了這樣一個渦旋態。當H>H_c2時,磁場附加給系統的能量大於負的表面能，系統進入正常態才能保證自由能最小，從而選擇正常態。表面能的正負由倫敦穿透深度λ與超導相干干長度ξ的比值κ=λ/ξ(金茲堡-朗道參數)決定, κ<1/√2且H>H_c1時，表面能為正，超導體直接進入正常態，這就是第一類超導體的情況； κ>1/√2且H>H_c1時，表面能為負，超導體進入渦旋態，這就是第二類超導體。

第二類超導體材料

第二類超導體通常為合金材料，高溫超導體如銅氧化物超導體和鐵基超導體都屬於第二類超導體。

應用

相較於第一類超導體微小的臨界磁場，第二類超導體的上限臨界磁場H_c2都很大，例如由鈮，鋁，鍺合成的合金超導材料的H_c2可以達到大於40 特斯拉的^[1]。這使得第二類超導體可以被用來製作強磁場超導線圈，這類強磁場超導線圈被廣泛應用於核磁共振成像（MRI），核磁共振（NMR），粒子加速器，磁懸浮，低溫強磁場科研儀器等各個領域。

延伸閱讀

參考文獻

[1]
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.

[1] [1]
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.

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