漫谈超导前世今生——神奇“第二类超导体”你了解吗？

2017年3月29日,俄罗斯物理学家Alexei Alexeyevich Abrikosov去世，享年88岁。

2003年，他因发现和解释了能在强磁场中保持超导性能的第二类超导体荣获诺贝尔物理学奖。小墨仅以此文纪念这位物理学大师。

漫谈超导前世今生——神奇“第二类超导体”你了解吗？

作者:林梅 排版:徐辰罡

在最近的文章中，小墨总是告诉大家，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。

图一普通超导体的内部无磁通线穿过

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。

图二第一类超导体与第二类超导体状态区别

图三第二类超导体内部磁场三种情况

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。

图四第二类超导体混合态

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？

图五第二类超导体上、下临界磁场随温度的变化情况

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。

图六实用超导材料的三个重要参数

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。

[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。

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。