11.Как происходит сверхпроводящий переход в магнитном поле

Описывая фазовый переход в сверхпроводящее состояние, мы говорили, что он происходит без затраты энергии, так как заключается лишь в изменении порядка движения электронов.

Рис. 15. Фазовая диаграмма перехода нормальный металл — сверхпроводник. Штриховыми стрелками показаны возможные пути фазового перехода при изменении температуры и/или напряженности магнитного поля

Если магнитное поле не равно нулю, это уже не так. Переход в магнитном поле требует затраты энергии на выталкивание магнитного поля из образца. Энергии для этого требуется ровно столько, сколько ее было запасено магнитным полем во всём объеме металла. Опыт показывает, что возможности сверхпроводника в этом смысле ограничены. Если напряженность магнитного поля оказывается больше некоторого значения, то при охлаждении металла оно не вытесняется и сверхпроводимость не возникает. Магнитное поле такой напряженности называется критическим для данного материала (обозначается H_c) и зависит от температуры чаще всего так, как изображено на рис. 15, где эта зависимость показана сплошной линией, разделяющей график на две части — зеленую и белую.

Для того чтобы получить сверхпроводящее состояние, надо перейти в область, окрашенную зеленым цветом. Это можно сделать, либо уменьшая напряженность магнитного поля при постоянной температуре T, пока мы не перейдем критическое значение H_c(T), либо понижая температуру при постоянном поле H, пока мы не перейдем критическое значение T_c(H). Конечно, возможны и комбинированные варианты, любая «траектория» на плоскости (T–H). Критическая температура при наличии магнитного поля меньше, чем в его отсутствие.

График на рис. 15 называется фазовой диаграммой, а сплошная линия — это линия фазовых переходов, разделяющая области обеих фаз. Вся эта линия отвечает фазовым переходам I рода, за исключением одной точки: в нулевом магнитном поле происходит фазовый переход II рода. Во всей области сверхпроводимости (зеленой) магнитное поле в толще сверхпроводника равно нулю, работает эффект Мейснера. Указанные величины H относятся к внешнему полю.

Для каждого материала имеются характерные значения критической температуры T_c в нулевом поле и критической напряженности магнитного поля H_cпри нулевой температуре. Это координаты концов линии переходов на диаграмме. Именно о них мы и будем говорить в дальнейшем и их называть критической температурой и критическим магнитным полем. Приведем критические значения температуры и поля (при T → 0) некоторых сверхпроводников:

Несколько цифр для сравнения: типичная напряженность магнитного поля Земли 0,5 Э, а текущий по проводам в наших квартирах ток 1 А создает в изоляции провода магнитное поле напряженностью около 2 Э. Впрочем, конечно, создаются сейчас и гораздо большие поля — в электродвигателях, турбинах, специальных электромагнитах; рекордно достижимые в настоящее время напряженности постоянного магнитного поля составляют сотни тысяч эрстед. Ясно, что для промышленных применений нужны сверхпроводники с гораздо большими критическими полями, чем указанные выше в таблице. Как правило, чем больше критическая температура T_c, тем больше критическая напряженность H_c магнитного поля. Поиск сверхпроводников со всё большими значениями T_c и H_c не прекращается.