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漫谈超导前世今生|你可知神奇“第二类超导体”

 
撰文 | 林  梅
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漫谈超导系列
1 百年超导史上,终于看到中国人的身影
2 既然超导这么好,为什么不用起来?
 
在最近的文章中,我们总是告诉大家,超导体有一个神奇的性质——内部磁感应强度为零。正是这条性质的发现,打开了人们认识超导的大门。
 
 
但是,这种常规意义上的超导体在应用上有一个问题,就是它经受不住强磁场或强电流的环境,一旦磁场或电流稍大一些,超导材料就会被破坏,进入有电阻的正常状态。可想而知,强场下的应用因此受到了限制。
 
1957年,Alexi Abrikosov发现,存在与常规超导体不同的“第二类超导体”,他因此获得了2003年诺贝尔奖。
 
对第二类超导体来说,随着磁场增强,超导态和正常态之间并不是直接转换的,它们中间隔着一个过渡区——混合态(如图二所示)。处于混合态的时候,材料内部是允许有磁场进入的。
 
Abrikosov预言磁场的进入是以磁通线的形式,每一个磁通线所对应的的磁通量是一个磁通量子(Φ0=h/2e=2.07E-15韦伯),这一点与第一类超导体有很大区别。
 
正是通过对这个混合态的利用,人们实现了第二类超导体在强电应用领域的广泛应用,我们如今耳熟能详的超导电缆输电、磁约束受控核聚变等强场领域都离不开第二类超导体的帮助。如NbTi,Nb3Sn,V3Ga,Nb3Ga,Nb3Ge等都是所谓的第二类超导体。
 
 
对于第二类超导体来说,当温度降到临界温度以下时,我们对它施以外加磁场,随着外加磁场增大,超导体内部的磁感应强度可能有三种情况:
 
1.当外加磁场比较小时,内部没有磁通线,这就是我们通常理解的超导态。
 
2.随着外加磁场增大到某个值,超导体内部开始出现了第一根磁通线,这时的外加磁场大小我们称其为下临界磁场。
 
在这种状态下,随着磁场的增大,磁通线分布并不是处处一样,而是必须排成点阵才使体内的能量最低。如果我们用磁粉撒上去,就可以观察到这样的点阵“小格子”。这种状态,叫做“第二类超导体”的混合态。
 
 
3.外加磁场持续增大,到某个数值时,材料完全转化为正常态。这时的外加磁场大小叫做上临界磁场。
 
科学家于是想,如果可以利用第二类超导体的混合态,让混合态也能实现超导,那超导材料可以耐受的磁场范围不是大大增加了吗?想要实现这一点,混合态的超导材料有没有什么特殊性质可以被人们利用呢?
 
我们先来看看,对于内部有磁通线的处于混合态的超导体,它有什么比较特殊的性质呢?
 
它可能会有电阻。
 
为什么会这样呢?这是因为当超导体通有电流的时候,电流产生的洛伦兹力会与格子状的磁通线发生相互作用,导致原本静止的磁通线沿某一方向移动,从而在电流方向产生电压,于是不再存在无阻电流。
 
我们知道,今天很多用来产生稳定强磁场的设备,都是利用了超导体无电阻的性质,如果随着磁场和电流增大,连超导体都有了电阻,我们还怎么利用它呢?
 
所以,我们必须克服这个问题,解决混合态存在超导的问题,扩大超导材料的应用范围。
 
既然电阻是由于磁通线定向移动产生的,那我们用“钉子”把磁通线“钉住”不就行了嘛?你还别说,人们真找到了这样的钉子。
 
这个钉子,就是“缺陷”。
 
当第二类超导体中存在高密度缺陷[1],这些缺陷与磁通线相互作用,为了保持能量最低,缺陷会对磁通线产生一种“钉扎能力”,只要这个钉扎能力大于洛伦兹力对磁通线的作用,就能把磁通线钉住,不让他移动。磁通线不移动了,也就不会产生电场了,电子也就不会因为电场而产生散射,电阻的问题解决了。
 
结合图五,我们可以想象,作为想利用超导体的研究人员,十分关心第二类超导体的两个参量——一是临界温度,临界温度越高,我们就越可能在比较容易实现的温度下让材料进入超导态;第二就是上临界磁场,上临界磁场越高,也就越能在比较大的外部磁场下保持超导态或混合态。
 
但是,短期来看,实现上述两个目标并不十分容易,所以,从应用的角度说,人们更关心电流和磁场、温度的关系。
 
如图六所示,超导材料的三个重要参数转换温度Tc、临界电流Jc、临界磁场Hc遵循此消彼长的关系,材料只有在蓝色区域内才能保持超导。人们希望在温度和磁场一定的条件下,提高临界电流密度[2],使得超导材料能够承载更大的电流,这是扩大超导材料应用范围的一个最切实可行的思路。
 
 
于是,在实际生产中,人们千方百计利用各种方法(包括退火处理引入非超导相、尽可能多引入晶界缺陷等)在超导材料中引入纳米尺度的缺陷,提高钉扎力,从而提高临界电流密度,一步步提升着第二类超导体在高温高场下的应用潜力。
 
注释:
[1]这种存在高密度缺陷的第二类超导体叫做非理想第二类超导体。
[2]在给定的温度和磁场下,超导体保持超导态时所能传输的最大电流称为临界电流。单位横截面超导体所能无阻传输的最大电流称为临界电流密度。
 
本文获授权转载自微信公号《墨子沙龙》。感谢中国科大李晓光教授、中科院物理所郑东宁研究员对本文成文的帮助。
 
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