Абрикосовские вихри

В 1957 г. известный физик-теоретик А. А. Абрикосов теоретически показал, что в сплавах разрушить сверхпроводимость магнитным полем не так-то просто. Так же, как у чистых сверхпроводников, при некотором значении индукции магнитное поле начинает проникать внутрь сверхпроводника. Но в сплавах магнитное поле обычно не сразу заполняет весь объем сверхпроводника. В толще его вначале образуются лишь отдельные сгустки линий индукции магнитного поля (рис. 4). В каждом таком сгустке содержится строго определенная порция, равная уже знакомому нам кванту магнитного потока Ф₀ = 2*10^-15 Вб.

Чем больше внешнее магнитное поле, тем больше таких сгустков, а следовательно, и квантов магнитного потока проникает в сверхпроводник. Поэтому, как мы уже убедились в предыдущем разделе, магнитный поток в сверхпроводнике меняется не непрерывно, а скачками, дискретно. Здесь мы сталкиваемся с удивительным явлением - законы квантовой механики "работают" уже в макроскопических масштабах.

Рис. 4

Каждый сгусток линий индукции магнитного поля в сверхпроводнике окружен кольцевыми незатухающими токами (см. рис. 4), которые напоминают вихри в жидкости или газе. Вот почему такие сгустки линий, окруженные сверхпроводящими токами, называют абрикосовскими вихрями. Внутри каждого вихря сверхпроводимость, разумеется, разрушена. Но в пространстве между вихрями она сохраняется! Только при очень сильных полях, когда вихрей становится так много, что они начинают перекрываться, наступает полное разрушение сверхпроводимости.

Такая необычная картина явления сверхпроводимости в сплавах, помещенных в магнитное поле, впервые была открыта "на кончике пера". Однако современная экспериментальная техника позволяет наблюдать абрикосовские вихри непосредственно. Для этого на поверхность сверхпроводника (например, поперечное сечение цилиндра) наносят тончайший магнитный порошок. Частицы порошка скапливаются в тех областях, куда проникло магнитное поле. Размеры каждой области невелики и обычно составляют доли микрометра. Если посмотреть на поверхность в электронный микроскоп, то видны темные пятна.

Рис. 5

На рис. 5 показана фотография структуры абрикосовских вихрей, полученная таким способом. Видно, что вихри расположены периодически и образуют решетку, аналогичную кристаллической решетке. Вихревая решетка треугольная (ее можно составить из повторяющихся правильных треугольников).

Итак, в отличие от чистых металлов, сплавы имеют не одно, а два критических поля: нижнее критическое поле, при котором первый вихрь проникает в сверхпроводник, и верхнее критическое поле, при котором происходит полное разрушение сверхпроводимости. В промежутке между этими значениями полей сверхпроводник пронизан вихревыми линиями и находится в особом смешанном состоянии. Сверхпроводники с такими свойствами теперь называют сверхпроводниками второго рода, в отличие от сверхпроводников первого рода, в которых разрушение сверхпроводимости в магнитном поле происходит сразу, скачком.

В 50-х годах началась настоящая охота за сверхпроводящими материалами, обладающими высокими критическими полями и температурами. Какими только способами их ни получали! И дуговой сваркой, и быстрым охлаждением, и напылением на горячую подложку. Были открыты, например, сплавы Nb₃Se и Nb₃Al, имеющие критическую температуру (температуру перехода в сверхпроводящее состояние Т_с = 18 К и верхние критические поля более 20 Тл). В последние годы еще более значительный прогресс был достигнут в тройных соединениях. Так, на сегодня рекордсменом по значению верхнего критического поля является сплав PbMo₄S₈ (T_с = 15 К, B_с2 = 60 Тл). (См. также примечание ранее.)

Казалось бы, проблема создания сверхпроводящих магнитов тем самым решена. Но тут природа поставила на пути исследователей еще одну преграду. Ведь для сверхпроводящего соленоида необходима проволока, которая выдерживала бы не только сильное магнитное поле, но и сильный ток. А это, оказывается, не одно и то же.