อ่าน 4 นาที
ตัวนำยิ่งยวดชนิดที่ 2
ใน สภาพนำยิ่งยวด ตัวนำ ยิ่งยวด ประเภท II คือตัวนำยิ่งยวดที่แสดงเฟสกลางที่มีคุณสมบัติผสมระหว่างตัวนำธรรมดาและตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิและสนามระดับกลางเหนือเฟสตัวนำยิ่งยวด...
ตัวนำยิ่งยวดชนิดที่ 2


ในสภาพนำยิ่งยวด ตัวนำ ยิ่งยวดประเภท IIคือตัวนำยิ่งยวดที่แสดงเฟสกลางที่มีคุณสมบัติผสมระหว่างตัวนำธรรมดาและตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิและสนามระดับกลางเหนือเฟสตัวนำยิ่งยวด นอกจากนี้ยังมีการก่อตัวของกระแสน้ำวนสนามแม่เหล็กเมื่อใช้สนามแม่เหล็ก ภายนอก ซึ่งเกิดขึ้นเหนือความแรงสนามวิกฤต H c1ค่าหนึ่งความหนาแน่นของกระแสน้ำวนจะเพิ่มขึ้นเมื่อความแรงสนามเพิ่มขึ้น ที่สนามวิกฤตH c2 ที่สูงกว่า โดยทั่วไปจะมีค่าประมาณหลายสิบเทสลา[ 2 ]สภาพนำยิ่งยวดจะถูกทำลาย ตัวนำยิ่งยวดประเภท II ไม่แสดงปรากฏการณ์Meissner อย่างสมบูรณ์ [ 3 ]
ประวัติศาสตร์
การมีอยู่ของสนามวิกฤตสองสนามในโลหะผสมตัวนำยิ่งยวดได้รับการสังเกตจากการทดลองโดยWander Johannes De Haasและ J. Voogd ในปี 1929–1931 และได้รับการยืนยันโดยผู้เขียนหลายคนที่ทำงานกับวัสดุที่แตกต่างกันในช่วงหลายปีต่อมา อย่างไรก็ตาม ความไม่สม่ำเสมอของตัวอย่างในการศึกษาในช่วงแรกเหล่านี้ได้รับการควบคุมไม่ดี และสันนิษฐานว่าผลกระทบอาจอธิบายได้ด้วยความไม่สม่ำเสมอของโครงสร้างซึ่งจะนำไปสู่การก่อตัวของเครือข่ายตัวนำยิ่งยวดแบบเส้นใยบาง ในปี 1936 Lev Shubnikov , Vladimir Khotkevich, Georgy Shepelev และ Yuri Rjabinin ได้ผลิตตัวอย่างผลึกเดี่ยวคุณภาพสูงและสรุปว่าผลกระทบเป็นปรากฏการณ์โดยรวม โดยตัดความไม่สม่ำเสมอของโครงสร้างออกไปว่าเป็นสาเหตุ ในปีต่อมา Shubnikov ถูกประหารชีวิตระหว่างการกวาดล้างของสตาลินและผลลัพธ์ของเขายังคงไม่เป็นที่รู้จักเป็นส่วนใหญ่เป็นเวลา 25 ปี[ 4 ] [ 5 ]
ในปี พ.ศ. 2493 ทฤษฎีของตัวนำยิ่งยวด สองประเภท ได้รับการพัฒนาโดยLev LandauและVitaly Ginzburgในบทความของพวกเขาเกี่ยวกับทฤษฎี Ginzburg–Landau [ 6 ] ในข้อโต้แย้งของพวกเขาตัวนำยิ่งยวดประเภท Iมีพลังงาน อิสระบวก ของขอบเขตตัวนำยิ่งยวด-โลหะปกติ Ginzburg และ Landau ชี้ให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของตัวนำยิ่งยวดประเภท II ที่ควรจะก่อตัวเป็นสถานะที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันในสนามแม่เหล็กแรงสูง อย่างไรก็ตาม ในขณะนั้น ตัวนำยิ่งยวดที่รู้จักทั้งหมดเป็นประเภท I และพวกเขาแสดงความคิดเห็นว่าไม่มีแรงจูงใจเชิงทดลองที่จะพิจารณาโครงสร้างที่แม่นยำของสถานะตัวนำยิ่งยวดประเภท II ทฤษฎีเกี่ยวกับพฤติกรรมของสถานะตัวนำยิ่งยวดประเภท II ในสนามแม่เหล็กได้รับการปรับปรุงอย่างมากโดยAlexei Alexeyevich Abrikosov [ 7 ]ซึ่งได้ขยายความแนวคิดของLars OnsagerและRichard Feynmanเกี่ยวกับกระแสน้ำวนควอนตัมในของไหลยิ่งยวด Abrikosov เปรียบเทียบทฤษฎีโครงข่ายกระแสน้ำวนของเขากับการทดลองของ Shubnikov ในปี 1936 และพบว่ามีความสอดคล้องกันเป็นอย่างดี[ 8 ]วิธีแก้ปัญหาควอนตัมกระแสน้ำวนในตัวนำยิ่งยวดมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับงานของFritz London เกี่ยวกับการควอนตัมฟ ลักซ์แม่เหล็กในตัวนำยิ่งยวด รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ได้รับมอบให้แก่ทฤษฎีสภาพนำยิ่งยวดประเภทที่ 2 ในปี 2003 [ 9 ]
สถานะกระแสน้ำวน
ทฤษฎีของกินซ์เบิร์ก-แลนเดา ได้นำเสนอความยาวการเชื่อมโยงยิ่งยวด ξ นอกเหนือจากความลึกของการแทรกซึมของสนามแม่เหล็กของลอนดอน λตามทฤษฎีของกินซ์เบิร์ก-แลนเดา ในตัวนำยิ่งยวดประเภทที่สองกินซ์เบิร์กและแลนเดาแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้ทำให้เกิดพลังงานลบของส่วนต่อประสานระหว่างเฟสยิ่งยวดและเฟสปกติ การมีอยู่ของพลังงานส่วนต่อประสานที่เป็นลบนั้นเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่ช่วงกลางทศวรรษ 1930 จากผลงานในช่วงแรกของพี่น้องลอนดอนพลังงานส่วนต่อประสาน ที่เป็นลบ แสดงให้เห็นว่าระบบควรจะไม่เสถียรต่อการเพิ่มจำนวนส่วนต่อประสานดังกล่าวให้สูงสุด ความไม่เสถียรนี้ไม่ได้รับการสังเกตจนกระทั่งการทดลองของชูบนิคอฟในปี 1936 ซึ่งพบสนามวิกฤตสองสนาม
ในปี พ.ศ. 2495 Zavaritskii ได้รายงานการสังเกตปรากฏการณ์สภาพนำยิ่งยวดประเภทที่ 2 ด้วยเช่นกันFritz Londonได้แสดงให้เห็น[ 10 ] [ 11 ]ว่าฟลักซ์แม่เหล็กสามารถแทรกซึมเข้าไปในตัวนำยิ่งยวดได้ผ่านทางข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยีที่มีการพันเฟสจำนวนเต็มและมีฟลักซ์แม่เหล็กแบบควอนตัม Onsager และ Feynman ได้แสดงให้เห็นว่าควรเกิดกระแสน้ำวนควอนตัมในของไหลยิ่งยวด[ 12 ] [ 13 ]
บทความปี 1957 โดยAA Abrikosov [ 7 ]ได้สรุปแนวคิดเหล่านี้ ในขีดจำกัดของความยาวการเชื่อมโยงที่สั้นมาก โซลูชันของกระแสน้ำวนจะเหมือนกับฟลักซ์อยด์ของลอนดอน[ 11 ]โดยที่แกนกระแสน้ำวนถูกประมาณโดยการตัดที่คมชัดแทนที่จะเป็นการหายไปอย่างค่อยเป็นค่อยไปของคอนเดนเซตตัวนำยิ่งยวดใกล้ศูนย์กลางกระแสน้ำวน Abrikosov พบว่ากระแสน้ำวนจัดเรียงตัวเองเป็นอาร์เรย์ปกติที่เรียกว่าโครงข่ายกระแสน้ำวน [ 9 ] ใกล้กับสนามแม่เหล็กวิกฤตบนที่เรียกว่า ปัญหาของตัวนำยิ่งยวดในสนามภายนอกเทียบเท่ากับปัญหาของสถานะกระแสน้ำวนในของไหลยิ่งยวดที่หมุน ซึ่งLars OnsagerและRichard Feynmanได้ กล่าวถึง
การตรึงฟลักซ์
ในสถานะกระแสน้ำวน ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการตรึงฟลักซ์จะเกิดขึ้นได้ ซึ่งเป็นไปไม่ได้กับตัวนำยิ่งยวดประเภท Iเนื่องจากไม่สามารถทะลุผ่านสนามแม่เหล็กได้[ 14 ]
หากตัวนำยิ่งยวดถูกทำให้เย็นลงในสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กนั้นจะถูกกักเก็บไว้ ซึ่งจะช่วยให้ตัวนำยิ่งยวดสามารถลอยอยู่เหนือแม่เหล็กได้ โดยมีศักยภาพในการสร้างข้อต่อหรือแบริ่งแบบไร้แรงเสียดทาน คุณค่าของการตรึงฟลักซ์นั้นเห็นได้จากการใช้งานหลายอย่าง เช่น ลิฟต์ ข้อต่อไร้แรงเสียดทาน และระบบขนส่ง ยิ่งชั้นตัวนำยิ่งยวดบางลงเท่าใด การตรึงที่เกิดขึ้นเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็กก็จะยิ่งแข็งแกร่งมากขึ้นเท่านั้น
วัสดุ
ตัวนำยิ่งยวดประเภท II มักทำจากโลหะผสมหรือเซรา มิก ออกไซด์เชิงซ้อนตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงทั้งหมดเป็นตัวนำยิ่งยวดประเภท II ในขณะที่ตัวนำยิ่งยวดธาตุส่วนใหญ่เป็นประเภท I แต่ไนโอเบียม วานาเดียมและเทคนีเซียมเป็นตัวนำยิ่งยวดประเภท II ธาตุ เพชรและซิลิคอนที่เจือด้วยโบรอนก็เป็นตัวนำยิ่งยวดประเภท II เช่นกัน ตัวนำยิ่งยวดโลหะผสมก็สามารถแสดงพฤติกรรมประเภท II ได้เช่นกัน (เช่นไนโอเบียม-ไทเทเนียมซึ่งเป็นหนึ่งในตัวนำยิ่งยวดที่พบได้บ่อยที่สุดในการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวด) เช่นเดียวกับสารประกอบโลหะระหว่างกัน เช่นไนโอเบียม-ดีบุก
ตัวอย่างอื่นๆ ของประเภทที่ 2 ได้แก่ วัสดุเซรามิก คิวเพรต - เพอร์รอฟสไกต์ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤตยิ่งยวดสูงสุด ได้แก่ La 1.85 Ba 0.15 CuO 4 , BSCCOและYBCO ( อิตเทรียม - แบเรียม - ทองแดง - ออกไซด์ ) ซึ่งมีชื่อเสียงในฐานะวัสดุแรกที่สามารถนำไฟฟ้าได้เหนือจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว (77 K) เนื่องจากการตรึงกระแสน้ำ วนที่แข็งแกร่ง คิวเพร ตจึงใกล้เคียงกับตัวนำยิ่งยวดแบบแข็งในอุดมคติ
การใช้งานที่สำคัญ
แม่เหล็กไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดกำลังสูง (ที่ใช้ใน เครื่องสแกน MRI , เครื่อง NMRและเครื่องเร่งอนุภาค ) มักใช้ขดลวดที่พันด้วย ลวด ไนโอเบียม-ไทเทเนียมหรือสำหรับสนามแม่เหล็กที่สูงกว่านั้น จะใช้ลวดไนโอเบียม- ดีบุกวัสดุเหล่านี้เป็นตัวนำยิ่งยวดประเภทที่ 2 ที่มีสนามวิกฤตสูงสุดHc2 สูงพอสมควร และแตกต่างจากตัวนำยิ่งยวดคิวเพรตที่มีค่า Hc2 สูงกว่ามาก ตรงที่สามารถขึ้นรูปเป็นลวดได้ง่าย อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน เทปตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่ 2 กำลังช่วยให้สามารถทดแทนลวดไนโอเบียมที่ราคาถูกกว่าด้วยเทป "รุ่นที่ 2" ที่มีราคาแพงกว่ามาก แต่สามารถนำยิ่งยวดได้ที่อุณหภูมิและสนามแม่เหล็กสูงกว่ามาก
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ตัวนำยิ่งยวดชนิดที่ 2
ใน สภาพนำยิ่งยวด ตัวนำ ยิ่งยวด ประเภท II คือตัวนำยิ่งยวดที่แสดงเฟสกลางที่มีคุณสมบัติผสมระหว่างตัวนำธรรมดาและตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิและสนามระดับกลางเหนือเฟสตัวนำยิ่งยวด...
ประวัติศาสตร์
การมีอยู่ของสนามวิกฤตสองสนามในโลหะผสมตัวนำยิ่งยวดได้รับการสังเกตจากการทดลองโดย Wander Johannes De Haas และ J.
สถานะกระแสน้ำวน
ทฤษฎีของกินซ์เบิร์ก-แลนเดา ได้นำเสนอ ความยาวการเชื่อมโยงยิ่งยวด ξ นอกเหนือจาก ความลึกของการแทรกซึมของสนามแม่เหล็กของลอนดอน λ ตามทฤษฎีของกินซ์เบิร์ก-แลนเดา...
การตรึงฟลักซ์
ในสถานะกระแสน้ำวน ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การตรึงฟลักซ์ จะเกิดขึ้นได้ ซึ่งเป็นไปไม่ได้กับ ตัวนำยิ่งยวดประเภท I เนื่องจากไม่สามารถทะลุผ่านสนามแม่เหล็กได้ [ 14 ]