Type II superleder - Type-II superconductor

Superledende oppførsel under varierende magnetfelt og temperatur. Grafen viser magnetiske fluks B som en funksjon av absolutt temperatur T . Kritiske magnetiske flytdensiteter B C1 og B C2 og den kritiske temperaturen T C er merket. I den nedre regionen av denne grafen viser både Type I og Type II superledere Meissner-effekten (a). En blandet tilstand (b), der noen feltlinjer fanges i magnetfeltvirvler, forekommer bare i Type II-superledere innenfor et begrenset område av grafen. Utover denne regionen brytes den superledende egenskapen ned, og materialet oppfører seg som en normal leder (c).
Virvler i en 200 nm tykk YBCO- film avbildet ved skanning av SQUID-mikroskopi

I superledningsevne er en type II superleder en superleder som viser en mellomfase av blandede vanlige og superledende egenskaper ved mellomtemperatur og felt over de superledende fasene. Den har også dannelsen av magnetfeltvirvler med et påført eksternt magnetfelt . Dette skjer over en viss kritisk feltstyrke H c1 . Vortektettheten øker med økende feltstyrke. Ved et høyere kritisk felt H c2 ødelegges superledningsevne. Type II superledere har ikke en fullstendig Meissner-effekt .

Historie

I 1935 oppdaget Rjabinin og Shubnikov eksperimentelt Type II superledere. I 1950 ble teorien om de to typene superledere videreutviklet av Lev Landau og Vitaly Ginzburg i deres artikkel om Ginzburg – Landau teori . I deres argument hadde en type I-superleder positiv fri energi til den superleder-normale metallgrensen. Ginzburg og Landau påpekte muligheten for type II superledere som skulle danne inhomogen tilstand i sterke magnetfelt. Men på den tiden var alle kjente superledere type I, og de kommenterte at det ikke var noen eksperimentell motivasjon for å vurdere presis struktur av type II superledende tilstand. Teorien for oppførselen til Type II superledende tilstand i magnetfelt ble betydelig forbedret av Alexei Alexeyevich Abrikosov , som utdypet ideene fra Lars Onsager og Richard Feynman om kvantevirvler i superfluider . Kvantevorteveløsning i en superleder er også veldig nært knyttet til Fritz Londons arbeid med magnetisk flukskvantisering i superledere. Den Nobelprisen i fysikk ble tildelt for teorien om Type-II superledere i 2003.

Virvelstatus

Ginzburg – Landau-teorien introduserte den superledende koherenselengden ξ i tillegg til Londons magnetfeltpenetrasjonsdybde λ . I følge Ginzburg-Landau-teorien, i en type II superleder . Ginzburg og Landau viste at dette fører til negativ energi i grensesnittet mellom superledende og normale faser. Eksistensen av den negative grensesnittenergien var også kjent siden midten av 1930-tallet fra de tidlige verkene fra London-brødrene. En negativ grensesnittenergi antyder at systemet skal være ustabilt mot å maksimere antall slike grensesnitt, noe som ikke ble observert i første eksperimenter på superledere, før eksperimentene med Shubnikov i 1936 hvor to kritiske felt ble funnet. I 1952 ble observasjon av type II superledningsevne også rapportert av Zavaritskii. Fritz London demonstrerte at magnetisk flux kan trenge gjennom superleder via en topologisk defekt som har i helfasevikling og bærer kvantisert magnetisk flux. Onsager og Feynman demonstrerte at kvantevirvler skulle dannes i superfluider. Generalisering av denne ideen, i 1957 av AA Abrikosov , demonstrerte at den blandede tilstanden til en type II superleder er et gitter av kvantevirvler. I grensen for veldig kort koherenslengde er vortexløsningen identisk med Londons fluxoid, hvor vortexkjernen tilnærmes ved skarp avskjæring i stedet for gradvis å forsvinne av superledende kondensat nær virvelområdet. Abrikosov fant at virvlene ordner seg i et vanlig utvalg kjent som et virvelgitter . I nærheten av såkalt øvre kritisk magnetfelt tilsvarer problemet med en superleder i eksternt felt problemet med vortex tilstand i en roterende superfluid, diskutert av Lars Onsager og Richard Feynman .

Flux pinning

Posisjonsminne på grunn av vortexpinning i en superleder med høy temperatur

I vortex tilstand blir et fenomen kjent som flux pinning mulig. Dette er ikke mulig med type I-superledere , siden de ikke kan penetreres av magnetfelt.

Hvis en superleder blir avkjølt i et felt, kan feltet bli fanget, noe som kan tillate at superlederen blir suspendert over en magnet, med potensial for en friksjonsfri skjøt eller lager. Verdien av fluxpinning sees gjennom mange implementeringer som heiser, friksjonsløse skjøter og transport. Jo tynnere det superledende laget er, desto sterkere er klemmen som oppstår når den utsettes for magnetfelt.

Materialer

Type II superledere er vanligvis laget av metalllegeringer eller komplekse oksidkeramikker . Alle superledere med høy temperatur er super II-ledere. Mens de fleste elementære superledere er type I, er niob , vanadium og teknetium elementære type II superledere. Bor- dopet diamant og silisium er også type II superledere. Superledere av metalllegering viser også type II-oppførsel ( f.eks. Niob-titan og niob-tinn ).

Andre eksempler på type II er de keramiske materialer av kobber - perovskitt som har oppnådd de høyeste superledende kritiske temperaturene. Disse inkluderer La 1,85 Ba 0,15 CuO 4 , BSCCO og YBCO ( Yttrium - Barium - Kobber - Oksid ), som er kjent som det første materialet som oppnår superledningsevne over kokepunktet for flytende nitrogen (77 K). På grunn av sterk vortex låsing , de kuprater er nær ideelt harde superledere .

Viktige bruksområder

Sterke superledende elektromagneter (brukes i MR- skannere, NMR- maskiner og partikkelakseleratorer ) bruker ofte spoler viklet av niob-titan- ledninger eller, for høyere felt, niob-tinnledninger . Disse materialene er type II superledere med betydelig øvre kritiske feltet H c2 , og i motsetning til for eksempel kupratet superledere med enda høyere H c2 , kan de lett bearbeides til tråder. Nylig tillot imidlertid andre generasjons superledende bånd utskifting av billigere niob-baserte ledninger med mye dyrere, men superledende ved mye høyere temperaturer og magnetfelt "2." generasjons bånd.

Se også

Referanser

  1. ^ Wells, Frederick S .; Pan, Alexey V.; Wang, X. Renshaw; Fedoseev, Sergey A .; Hilgenkamp, ​​Hans (2015). "Analyse av isotropisk vortexglass med lavt felt som inneholder vortexgrupper i YBa 2 Cu 3 O 7 − x tynne filmer visualisert ved skanning av SQUID-mikroskopi" . Vitenskapelige rapporter . 5 : 8677. arXiv : 1807.06746 . Bibcode : 2015NatSR ... 5E8677W . doi : 10.1038 / srep08677 . PMC  4345321 . PMID  25728772 .
  2. ^ Tinkham, M. (1996). Introduksjon til superledningsevne, andre utgave . New York, NY: McGraw-Hill. ISBN 0486435032.
  3. ^ Rjabinin, JN og Schubnikow, LW (1935) " Magnetiske egenskaper og kritiske strømmer av superledende legeringer ", Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion , vol. 7, nr. 1, s. 122–125.
  4. ^ Rjabinin, JN; Shubnikow, LW (1935). "Magnetiske egenskaper og kritiske strømmer av supra-ledende legeringer". Natur . 135 (3415): 581. Bibcode : 1935Natur.135..581R . doi : 10.1038 / 135581a0 .
  5. ^ Ginzburg, VL og Landau, LD (1950) Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20 , 1064
  6. ^ a b A. A. Abrikosov, "Type II superledere og vortexgitteret" , Nobel Lecture, 8. desember 2003
  7. ^ London, F. (1948-09-01). "Om problemet med den molekylære teorien om superledningsevne". Fysisk gjennomgang . 74 (5): 562–573. doi : 10.1103 / PhysRev.74.562 .
  8. ^ a b London, Fritz (1961). Superfluids (2. utg.). New York: Dover.
  9. ^ Onsager, L. (mars 1949). "Statistisk hydrodynamikk". Il Nuovo Cimento . 6 (S2): 279–287. doi : 10.1007 / BF02780991 . ISSN  0029-6341 .
  10. ^ Feynman, RP (1955), "Application of Quantum Mechanics to Liquid Helium", i WP Halperin (red.), Progress in Low Temperature Physics , 1 , Elsevier, s. 17–53, doi : 10.1016 / s0079-6417 ( 08) 60077-3 , ISBN 978-0-444-53307-4
  11. ^ "Journal of Experimental and Theoretical Physics" . www.jetp.ac.ru . Hentet 2021-04-11 .
  12. ^ Rosen, J., Ph.D., & Quinn, L. "Superconductivity". I K. Cullen (red.), Encyclopedia of physical science .