第二種超伝導体

超伝導において、II型超伝導体は、超伝導相よりも高い温度と磁場において、常伝導と超伝導の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という特徴もある。これは、ある臨界磁場強度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（典型的には数十テスラのオーダー）^{[ 2 ]}では、超伝導は破壊される。II型超伝導体は完全なマイスナー効果を示さない。^{[ 3 ]}

超伝導合金に2つの臨界場が存在することは、 1929年から1931年にかけてワンダー・ヨハネス・デ・ハースとJ.ヴォーグドによって実験的に観測され、その後数年間にわたって様々な材料を用いた複数の研究者によって確認された。しかし、これらの初期の研究では試料の不均一性が十分に制御されておらず、この効果は薄いフィラメント状の超伝導ネットワークの形成につながる構造的不均一性によって説明できると考えられていた。1936年、レフ・シュブニコフ、ウラジーミル・ホトケヴィチ、ゲオルギー・シェペレフ、ユーリ・リャビニンは高品質の単結晶試料を作製し、この効果はバルク現象であると結論付け、構造的不均一性が原因ではないとした。翌年、シュブニコフはスターリンの大粛清で処刑され、彼の研究成果はその後25年間ほとんど知られることなく終わった。^{[ 4 ] [ 5 ]}

1950年、レフ・ランダウとヴィタリー・ギンズブルグは、ギンズブルグ・ランダウ理論に関する論文で、2種類の超伝導体の理論を提唱した。^{[ 6 ]}彼らの議論では、タイプI超伝導体は、超伝導体と常伝導金属の境界で正の自由エネルギーを持つ。ギンズブルグとランダウは、強い磁場中で不均一な状態を形成するはずのタイプII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タイプIであり、タイプII超伝導状態の正確な構造を検討する実験的な動機はないと彼らはコメントした。磁場中におけるタイプII超伝導状態の挙動に関する理論は、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アイデアを発展させたアレクセイ・アレクセーエヴィチ・アブリコソフによって大幅に改善された。^{[ 7 ]}アブリコソフは自身の渦格子理論をシュブニコフの1936年の実験と比較し、よく一致することを発見した。^{[ 8 ]}超伝導体における量子渦解は、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。 2003年には、タイプII超伝導の理論に対してノーベル物理学賞が授与された。^{[ 9 ]}

ギンツブルグ・ランダウ理論は、ロンドン磁場侵入深さλに加えて、超伝導コヒーレンス長ξ を導入した。ギンツブルグ・ランダウ理論によれば、II型超伝導体では${\displaystyle \lambda /\xi >1/{\sqrt {2}}}$ギンズブルグとランダウは、これが超伝導相と常伝導相の界面の負のエネルギーにつながることを示した。負の界面エネルギーの存在は、1930年代半ばのロンドン兄弟による初期の研究からすでに知られていた。負の界面エネルギーは、そのような界面の数を最大化することに対してシステムが不安定になることを示唆している。この不安定性は、1936年のシュブニコフの実験で2つの臨界磁場が発見されるまで観測されなかった。

1952年、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^{[ 10 ] [ 11 ]} 、整数位相巻きを持つトポロジカル欠陥を介して磁束が超伝導体に侵入し、量子化された磁束を運ぶことを実証した。オンサーガーとファインマンは、量子渦が超流体中に形成されるはずであることを実証した。^{[ 12 ] [ 13 ]}

1957 年のAA アブリコソフの論文^{[ 7 ]}は、これらのアイデアを一般化しています。非常に短いコヒーレンス長の極限では、渦解はロンドンのフラクソイド^{[ 11 ]}と同一であり、渦の中心付近で超伝導凝縮物が徐々に消滅するのではなく、渦のコアが急激にカットオフされることで近似されます。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自ら配置されることを発見しました。^{[ 9 ]}いわゆる上部臨界磁場付近では、外部磁場中の超伝導体の問題は、ラース・オンサーガーとリチャード・ファインマンが議論した回転超流体中の渦状態の問題と同等です。

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スでできています。高温超伝導体はすべてタイプ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挙動を示すことがあり（例えば、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）、ニオブ-スズのような金属間化合物も同様です。

その他のタイプIIの例としては、最高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挙げられる。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）を超える超伝導を初めて達成した材料として有名なYBCO（イットリウム・バリウム・銅酸化物）が含まれる。強い渦糸ピン止め効果により、銅酸化物は理想的な硬質超伝導体に近い性質を持つ。

強力な超伝導電磁石（MRIスキャナー、NMR装置、粒子加速器などで使用される）は、ニオブチタン線、あるいはより高い磁場が必要な場合はニオブスズ線で巻かれたコイルをよく使用します。これらの材料は、高い上限臨界磁場H _{_c2}を持つタイプII超伝導体であり、例えばH _{_c2}がさらに高い銅酸化物超伝導体とは対照的に、容易に線状に加工できます。しかし近年、第2世代超伝導テープの登場により、より安価なニオブ系線材を、はるかに高価ではあるものの、より高い温度と磁場において超伝導性を示す「第2世代」テープに置き換えることが可能になっています。