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

第二類超導體溫度磁場 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 M vs H

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

渦旋態

第二類超導體渦旋態

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：

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

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

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。

第二類超導體渦旋態

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

• 超導現象
• 第一類超導體
• 邁斯納效應

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.