タイプII超伝導体

超伝導において、タイプ II 超伝導体は、超伝導相を超える中間温度および磁場において、通常の特性と超伝導特性が混在する中間相を示す超伝導体である。また、外部磁場を印加すると磁場渦が形成されるのも特徴である。これは、一定の臨界磁場強度H _c1を超えると発生する。渦密度は磁場強度の増加とともに増加する。より高い臨界磁場H _c2では、超伝導は破壊される。タイプ II 超伝導体は完全なマイスナー効果を示さない。^[2]

1935年、JN ルジャビニンとレフ シュブニコフ^{[3] [4]}は実験的に第2種超伝導体を発見した。1950年、レフ ランダウとヴィタリー ギンツブルグは、ギンツブルグ–ランダウ理論[5]の論文で、この2種類の超伝導体の理論をさらに^発展させた。彼らの議論では、第1種超伝導体は、超伝導体と常伝導金属の境界の自由エネルギーが正であるとされた。ギンツブルグとランダウは、強磁場中で不均一状態を形成する第2種超伝導体の可能性を指摘した。しかし、当時知られていた超伝導体はすべて第1種であり、第2種超伝導状態の正確な構造を検討する実験的動機はないとコメントした。磁場中における第2種超伝導状態の挙動に関する理論は、アレクセイ・アレクセーヴィチ・アブリコソフ[6]によって大きく改善された。彼^はラース・オンサーガーとリチャード・ファインマンによる超流体中の量子渦の考えを詳しく論じていた。超伝導体における量子渦の解決は、フリッツ・ロンドンの超伝導体における磁束量子化に関する研究とも非常に密接に関連している 。第2種超伝導の理論に対して、2003年にノーベル物理学賞が授与された。 ^[7]

ギンツブルグ-ランダウ理論は、ロンドン磁場の侵入深さ λに加えて、超伝導コヒーレンス長ξ を 導入しました。ギンツブルグ-ランダウ理論によれば、タイプ II 超伝導体では、ギンツブルグとランダウは、これが超伝導相と通常相の間の界面の負のエネルギーにつながることを示しました。負の界面エネルギーの存在は、ロンドン兄弟による初期の研究から 1930 年代半ばから知られていました。負の界面エネルギーは、システムがそのような界面の数を最大化することに対して不安定になるはずであることを示唆しています。この不安定性は、2 つの臨界磁場が発見された 1936 年のシュブニコフの実験まで観察されませんでした。 ${\displaystyle \lambda /\xi >1/{\sqrt {2}}}$

1952年には、ザヴァリツキーによってタイプII超伝導の観測も報告された。フリッツ・ロンドンは、磁束が整数位相巻き線を持ち量子化された磁束を運ぶ位相欠陥を介して超伝導体を貫通できることを実証した^{[8] [9]}。オンサーガーとファインマンは、超流体中に量子渦が形成されるはずであることを実証した^{[10] [11]。}

1957年のAAアブリコソフの論文^[12]は これらのアイデアを一般化している。コヒーレンス長が非常に短い極限では、渦解はロンドンの磁束体^[9]と同一であり、渦核は渦中心近くの超伝導凝縮体の段階的な消失ではなく、鋭いカットオフで近似される。アブリコソフは、渦が渦格子として知られる規則的な配列に整列することを発見した。^{[7]いわゆる上部臨界磁場の近くでは、外部磁場中の超伝導体の問題は、}ラース・オンサガーとリチャード・ファインマンが議論した回転する超流体中の渦状態の問題と同等である。

渦状態では、磁束ピンニングと呼ばれる現象が可能になります。これは、磁場が透過できないI型超伝導体では不可能です。 ^[13]

超伝導体を磁場で冷却すると、磁場を閉じ込めることができ、超伝導体を磁石の上に吊り下げて、摩擦のないジョイントやベアリングを実現できます。磁束ピンニングの価値は、リフト、摩擦のないジョイント、輸送など、さまざまな実装で明らかです。超伝導層が薄いほど、磁場にさらされたときに発生するピンニングは強くなります。

タイプ II 超伝導体は通常、金属合金または複合酸化物 セラミックで作られています。すべての高温超伝導体はタイプ II 超伝導体です。ほとんどの元素超伝導体はタイプ I ですが、ニオブ、バナジウム、テクネチウムは元素タイプ II 超伝導体です。ホウ素をドープしたダイヤモンドとシリコンもタイプ II 超伝導体です。金属合金超伝導体もタイプ II の挙動を示すことがあります (例:応用超伝導で最も一般的な超伝導体の 1 つであるニオブ - チタン)。また、ニオブ - スズなどの金属間化合物もタイプ II の挙動を示すことがあります。

その他のタイプ II の例としては、最高の超伝導臨界温度を達成した銅酸化物ペロブスカイトセラミック材料があります。これらには、La _1.85 Ba _0.15 CuO ₄、BSCCO、および液体窒素の沸点 (77 K) を超える温度で超伝導を実現した最初の材料として有名なYBCO (イットリウム-バリウム-銅-酸化物) が含まれます。強力な渦糸ピンニングにより、銅酸化物は理想的な硬質超伝導体に近い状態になります。

強力な超伝導電磁石 ( MRIスキャナ、NMR装置、粒子加速器で使用)では、ニオブ チタン線で巻かれたコイル、またはより高い磁場の場合はニオブ スズ線が使用されることが多い。これらの材料は、かなりの高い上部臨界磁場H _{c2 を}持つタイプ II 超伝導体であり、たとえば、さらに高いH _c2を持つ銅酸化物超伝導体とは対照的に、簡単にワイヤに加工できる。しかし、最近では、第 2 世代の超伝導テープにより、より安価なニオブベースのワイヤを、はるかに高価ではあるが、はるかに高い温度と磁場で超伝導する「第 2 世代」テープに置き換えることができるようになっている。