4 两类超导体基本特征

4 两类超导体基本特征

两类超导体

存在着两种超导体。一种称为I型超导体，主要是金属超导体。它对磁场有着屏蔽作用，也就是说磁场无法进入超导体内部。如果外部磁场过强，就会破坏超导体的超导性能。这类超导体只有两个态，即低温超导态和正常态。另一种称为II型超导体，主要是合金和陶瓷超导体。它允许磁场通过。为什么存在两类超导体呢？关键是超导态和正常态之间存在介面能。

界面能

一般超导体内部磁场为零；但在一定条件下，磁力线也可以进入超导体内部。这种情况下，超导体内部同时存在超导区域和正常区域。在两区域的交界面上，存在附加的界面能。界面能可以大于零也可以小于零，大于零的超导体称为第一类超导体，小于零的称为第二类超导体。当第一类超导体表面某部分（与形状有关）的磁场达到临界磁场H C时，超导体即进入超导与正常区域相间的状态──中间态。这些区域的大小具有宏观的尺寸,数量级为10-2cm。对于第二类超导体，由于界面能为负，超导与正常区域同时存在的状态（混合态）的能量更低。而在H>>H C时,超导电性才完全消失。这类超导体的超导与正常区域的尺寸可以小到10-6～10-7cm。利用某些第二类超导体制成的超导强磁体；目前已得到广泛应用。

第二类超导体（type-Ⅱsuperconductors）

界面能小于零的超导体。根据超导体在磁场中磁化曲线的差异，超导体可分为第一类和第二类两类。在已发现的超导元素中，只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一类。然而大多数超导合金和化合物则属于第二类：它们的区分在于:第一类超导体的京茨堡-朗道参量ｘ<1/,超导-正常相的界面能为正；而第二类超导体，x>1/，界面能为负。

基于第二类超导体的某些性质（如磁化行为、临界电流等）对诸如位错、脱溶相等各种晶体缺陷十分敏感。只有体内组分均匀分布，不存在各种晶体缺陷，其磁化行为才呈现完全可逆,称为理想第二类超导体。反之,则称为非理想第二类超导体或硬超导体。非理想第二类超导体具有较大的实用价值。

理想第二类超导体

一细长圆柱状的理想第二类

超导体，处于平行于轴方向的外磁

场中时，其磁化曲线如下图超导体

的磁化曲线所示（图中还画出了第

一类超导体的磁化曲线作为比

较）。

可以看到存在有两个确定的

临界场,即下临界场H c1和上临界

场H c2。当外磁场低于H c1时,超导体

处于迈斯纳态,即磁场被排出超导

体外。但从H c1开始，磁场部分地超导态

穿透到超导体内部，而且随着磁场的增高,穿透程度也增加(-М减少);一直到达到H c2时磁场才完全穿透超导体(М=0),这时,超导体过渡到正常态。在H c1＜H＜H c2内的状态，叫做混合态。一般地说，理想第二类超导体

在H c1和H c2处的转变均属于二级相变。H c1和H c2的值由下列理论公式确定：

式中Hc为热力学临界磁场。它们与温度的关系都可近似地表示为

。

第二类超导体的热力学临界磁场Hc可由实测到的磁化曲线下面所包围的面积而得到。

理想第二类超导体处于混合态时，磁场以量子化的磁通线(也叫磁通涡旋)形式穿透体

量子化磁通线的结构

磁通密度h分布

超导电子密度ng分布

深度λ的磁场和超导电流区域。一般地说，对于ｘ>>1/的第二类超导体，有λ>>ξ。

理论和实验上都已得出,当处于热力学平衡态时,理想第二类超导体中的磁通线排列成三角点阵，其点阵常数随磁场的增高而减小。

第二类超导体与绝缘体或真空接触，当它处在与界面平行的方向的外磁场中时,则存在于表面附近ξ厚度薄层内的超导电性,一直可以保持到H c3=1.695 H c2为止,这就是表面超导性。

处于混合态(H> H c1)的理想第二类超导体，在横向磁场中，不能承载任何大小的超导传输电流，因而无多大实用价值。

有关理想第二类超导体的理论是由В.Л.京茨堡、Л.Д.朗道、А.А.阿布里考索夫和Л.П.戈科夫建立的，通称为ГЛАГ理论。

非理想第二类超导体

非理想第二类超导体的磁化曲线，由于

体内存在晶体缺陷而呈现不可逆的特性。当

外磁场从零开始增大但小于H c1时,超导体

处于迈斯纳态。当H>H c1时，磁场以磁通线

的形式穿透体内。但缺陷的存在对磁通线的

穿透造成阻力，因此超过H c1时，磁化强度

继续增大。当H>H p时, 则随磁场的增大而它

减小。直至H c2时,磁化强度才等于零。当磁

场从高于H c2下降时,缺陷同样阻碍磁通排

出，故磁化曲线上出现磁滞现象，以致零磁非理想第二类超导体

场时有剩余磁矩，称为俘获磁通。

晶阵缺陷的存在，阻碍着磁通线的运动。因此，可以把它们看作是一些对磁通线运动产生钉扎作用的钉扎体，也称为磁通钉扎中心。钉扎作用的强弱以钉扎力Fp的大小来表示。当温度高于绝对零度时，由于热激活的存在，磁通线总是有一定的几率从一个钉扎中心迁移到另一个钉扎中心，这种磁通线发生跳跃式的无规运动叫做磁通蠕动。

当传输电流在与外磁场相垂直的方向上通过处于混合态的超导体时，每根磁通线既受到钉扎力F p的钉扎作用,又受到电磁力（洛伦兹力）F L=J×φ0的驱动作用,其中J为电流密度,φ0为磁通量子。当F L>F p时,磁通线会发生较快地横过导体的运动，这就是磁通流动。它会在导体纵向感生电压, 相应地“电阻”称为磁通流动电阻,其电阻率，式中ρn为超导体处于正常态时的电阻率，B为外磁场值。

在平衡状态下，超导体内各处的钉扎力与洛伦兹力相等，磁通线处于临界态。这时，超导体的体电流密度就是临界电流密度

J c。为描述临界态,已提出了比恩-伦敦(Bean-London)模型和金-安德森(Kim-Anderson)等模型。

非理想第二类超导体处于混合态时，在很高的横向磁场下，仍可以通过很大的体超导电流，其临界电流密度J c有时高达106A/cm2以上。通过J c-H 特性和组织结构的关系，以及磁热不稳定性等的研究，现今已研制成功Nb-Ti、Nb-Zr合金和Nb3Sn,V3Ga化合物等稳定的实用超导材料（见超导元素及合金和化合物），成为发展强磁场超导磁体技术的基础。已经应用于固体物理、高能物理、受控聚变反应、磁流体发电等一系列现代科学技术部门而显示了巨大的优越性。