МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ

По магнитным свойствам сверхпроводники делятся на сверхпроводники первого и второго рода. К первому относятся все элементы, кроме ниобия. Ниобий, сверхпроводящие сплавы и химические соединения являются сверхпроводниками второго рода. Главное отличие этих двух групп сверхпроводников заключается в том, что они по- разному реагируют на внешнее магнитное поле.

Эффект Мейсснера-Оксенфельда наблюдается у сверхпроводников первого рода, проникновение в них магнитного поля не происходит до тех пор, пока его напряженность не превысит значения НС{Т). Если магнитное поле больше этого значения, то весь образец возвращается в нормальное состояние и возникает эффект полного проникновения поля. Поэтому кривая намагничивания В = В(Н) будет иметь вид, изображенный на рис. 6.4.

В отличие от первого рода, в сверхпроводниках второго рода не обнаруживается эффект Мейсснера-Оксенфельда. Магнитное поле в них проникает, но весьма своеобразно. В этих сверхпроводниках существует два критических поля Нс1(Т) и Нс2(Т). При поле, меньшем нижнего критического значения Нс1(Т), магнитный поток не проникает в образец. Если магнитное поле превышает верхнее критическое значение Нс2(Т), то весь образец переходит в нормальное состояние и наблюдается полное проникновение магнитного поля.

При НС1 < Н < Нс2 происходит проникновение магнитного потока, возникает так называемое смешанное состояние, при котором, как предположил А. А. Абрикосов, и это впоследствии было доказано экспериментально, поле про-

Рис. 6.4.

Магнитное поле внутри сверхпроводника первого рода во внешнем магнитном поле Н:

Рис. 6.5

Среднее магнитное поле в сверхпроводнике второго рода во внешнем магнитном поле Н:

1 — сверхпроводящее; 2 — нормальное состояние.

никает в сверхпроводящий образец в виде тонких вихревых нитей. Таким образом, в образце создается сложная структура из чередующихся нормальных и сверхпроводящих областей. Изменение магнитной индукции В внутри сверхпроводников второго рода показано на рис. 6.5.

Существование для сверхпроводников критического магнитного поля Нс приводит к тому, что через сверхпроводник нельзя пропускать ток, плотность которого превышает некоторое критическое значение ус. При плотности тока, больше критической, сверхпроводимость разрушается. Протекающий по сверхпроводнику ток создает магнитное поле. Напряженность этого поля тем больше, чем больше плотность тока. При достижении напряженности Нс2 сверхпроводящее состояние разрушается.

В литературе нити в сверхпроводниках второго рода часто называют вихрями, так как по своей структуре они напоминают вихри в жидкости. Сердцевина этого вихря — кор — нормальная, ее размер оценивается как характерный масштаб, на котором восстанавливается сверхпроводимость (т. е. он равен длине когерентности %), а вокруг этого кора текут кольцевые сверхпроводящие токи, экранирующие поле в толще сверхпроводника.

Рис. 6.6

Абрикосовские вихри в сверхпроводнике второго рода в магнит- ном поле Нс1 < н<нс2

Смысл длины когерентности ?, состоит в том, что любые возмущения, возникшие в какой-либо точке сверхпроводника, обязательно сказываются на свойствах сверхтекучих электронов, находящихся на расстоянии порядка или меньше Е, от этой точки. Качественно картина сверхпроводника в смешанном состоянии показана на рис. 6.6. Поскольку вихрь по существу образует цилиндрическое отверстие в сверхпроводнике, магнитный поток через такое отверстие должен квантоваться, как поток через кольцо или полый цилиндр. Каждому вихрю энергетически выгодно содержать только один квант магнитного потока Ф0.

Существование смешанного состояния в сверхпроводниках было надежно подтверждено экспериментально. Кроме различных косвенных подтверждений существуют прямые эксперименты, поставленные немецкими физиками Эссманом и Тройблом (1967). Они нанесли тонкую органическую пленку на торцевую поверхность сверхпроводящего цилиндра из сверхпроводника второго рода и перевели его в смешанное состояние, наложив магнитное поле. Затем они напылили на торцевую поверхность слой ферромагнитного порошка. Частицы порошка оседали на поверхность более густо в местах выхода магнитных силовых линий, т. е. в центрах вихрей. Отделив затем органическую пленку от сверхпроводника и поместив ее в электронный микроскоп, они получили возможность наблюдать картину смешанного состояния в сверхпроводнике второго рода.

Характерная величина, на которую магнитное поле проникает в сверхпроводник от вихря, определяется глубиной проникновения X. Вихри начинают проникать в сверхпроводник при значении магнитного поля больше первого критического поля, определяемого примерно как

Вначале, когда поле слабо отличается от НсХ, вихрей немного и они располагаются далеко друг от друга (на расстоянии немного больше длины когерентности). По мере увеличения магнитного поля количество вихрей растет, а расстояние между ними уменьшается, и, когда оно становится равным размеру нормального кора, т. е. длине когерентности, все вихри перекрываются своими нормальными корами и сверхпроводимость исчезает. Это поле равно второму критическому полю Нс2, и его можно оценить следующим образом

Характер поведения сверхпроводников в магнитном поле зависит от соотношения между двумя, зависящими от микроскопической структуры вещества параметрами — длиной когерентности ? и глубиной проникновения А.. Если сверхпроводящий материал таков, что ?, > А., то сверхпроводимость сразу разрушается при некотором критическом поле Нс, и такие сверхпроводники называются сверхпроводниками первого рода. При обратном неравенстве (% < л.) сверхпроводимость в магнитных полях выше первого критического поля НсI начинает частично разрушаться путем проникновения в толщу сверхпроводника магнитных вихрей, И ЛИШЬ В поле Нс2 вещество полностью переходит в нормальное состояние (рис. 6.5).

Согласно решению, полученному Абрикосовым, вихри образуют регулярную решетку. Наименьшей свободной энергией обладает распределение квантов потока по углам равносторонних треугольников (рис. 6.6). Предсказанная А. А. Абрикосовым структура смешанного состояния была позднее подтверждена в экспериментальных исследованиях по упругому рассеянию нейтронов и прямыми методами, использующими технику декорирования с помощью мельчайших частиц ферромагнитного порошка, концентрирующихся вблизи вихрей.

В реальных сверхпроводящих материалах вихри магнитного потока не свободны, а закрепляются на различных неоднородностях материала, таких как дефекты кристаллической решетки, примеси, границы между областями с различной ориентацией кристаллографических осей. Закрепление вихрей называют пиннингом, и пиннин- гование вихрей приводит к существенным последствиям.

Если пропустить электрический ток через идеальный сверхпроводник (с незапиннингованной вихревой решеткой), то вихри под действием силы Лоренца начнут двигаться. Движущиеся магнитные вихри, в свою очередь, создают падение напряжения, и тем самым сверхпроводник оказывается в резистивном состоянии, его основное свойство — нулевое сопротивление — пропадает. Если же решетка запиннингована, то магнитное поле электрического тока до некоторых пор (пока сила Лоренца не станет превышать силу пиннинга) не сможет сдвинуть вихри и, как говорят, ток будет бездиссипативным.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >