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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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