الموصل الفائق من النوع الثاني

في مجال الموصلية الفائقة ، يُعرف الموصل الفائق من النوع الثاني بأنه موصل فائق يُظهر طورًا وسيطًا يجمع بين خصائص الموصلية العادية والفائقة عند درجات حرارة ومجالات مغناطيسية متوسطة أعلى من تلك التي تُحدد طور الموصلية الفائقة. كما يتميز هذا النوع بتكوّن دوامات مغناطيسية عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي . ويحدث هذا عند تجاوز شدة مجال حرج معينة H _{_c1} . وتزداد كثافة الدوامات مع ازدياد شدة المجال. عند شدة مجال حرج أعلى H _{_c2} ، والتي عادةً ما تكون في حدود عشرات التسلا ^{[ 2 ]،} تتلاشى الموصلية الفائقة. ولا تُظهر الموصلات الفائقة من النوع الثاني تأثير مايسنر بشكل كامل . ^{[ 3 ]}

لاحظ واندر يوهانس دي هاس وج. فوغد تجريبياً وجود مجالين حرجين في السبائك فائقة التوصيل في الفترة ما بين عامي 1929 و1931، وأكد ذلك باحثون متعددون عملوا على مواد مختلفة خلال السنوات اللاحقة. مع ذلك، لم تكن دقة التحكم في عدم تجانس العينات في هذه الدراسات المبكرة كافية، وافتُرض أن هذا التأثير قد يُعزى إلى عدم تجانس بنيوي يؤدي إلى تكوين شبكة رقيقة خيطية فائقة التوصيل. في عام 1936، أنتج ليف شوبنيكوف ، وفلاديمير خوتكيفيتش، وجورجي شيبيليف، ويوري ريابينين عينات أحادية البلورة عالية الجودة، وخلصوا إلى أن هذا التأثير ظاهرة كلية، مستبعدين عدم التجانس البنيوي كسبب له. في العام التالي، أُعدم شوبنيكوف خلال حملات التطهير الستالينية ، وظلت نتائج بحثه مجهولة إلى حد كبير طوال السنوات الخمس والعشرين التالية. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

في عام 1950، طوّر ليف لانداو وفيتالي جينزبورغ نظرية نوعي الموصلات الفائقة في بحثهما حول نظرية جينزبورغ-لانداو . ^{[ 6 ]} في حجتهما، افترضا أن الموصل الفائق من النوع الأول يمتلك طاقة حرة موجبة عند حدود الموصل الفائق-المعدن العادي. وأشار جينزبورغ ولانداو إلى إمكانية وجود موصلات فائقة من النوع الثاني، والتي من المفترض أن تُشكّل حالة غير متجانسة في المجالات المغناطيسية القوية. مع ذلك، في ذلك الوقت، كانت جميع الموصلات الفائقة المعروفة من النوع الأول، وعلّقا بأنه لم يكن هناك دافع تجريبي لدراسة البنية الدقيقة لحالة الموصل الفائق من النوع الثاني. وقد طُوّرت نظرية سلوك حالة الموصل الفائق من النوع الثاني في المجال المغناطيسي بشكل كبير على يد أليكسي أليكسييفيتش أبريكوسوف ، ^{[ 7 ]} الذي كان يُطوّر أفكار لارس أونساغر وريتشارد فاينمان حول الدوامات الكمومية في الموائع الفائقة . قارن أبريكوسوف نظريته عن شبكة الدوامات بتجارب شوبنيكوف عام 1936، ووجد تطابقًا جيدًا بينهما. ^{[ 8 ]} كما أن حل الدوامات الكمومية في الموصلات الفائقة يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعمل فريتز لندن حول تكميم التدفق المغناطيسي في الموصلات الفائقة. وقد مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لنظرية الموصلية الفائقة من النوع الثاني عام 2003. ^{[ 9 ]}

أدخلت نظرية جينزبورغ-لانداو طول التماسك الفائق التوصيل ξ بالإضافة إلى عمق اختراق المجال المغناطيسي لندن λ . ووفقًا لنظرية جينزبورغ-لانداو، في الموصل الفائق من النوع الثاني${\displaystyle \lambda /\xi >1/{\sqrt {2}}}$أظهر جينزبورغ ولاندو أن هذا يؤدي إلى طاقة سالبة عند السطح الفاصل بين الطورين فائق التوصيل والعادي. وكان وجود هذه الطاقة السالبة معروفًا منذ منتصف ثلاثينيات القرن العشرين من خلال أعمال الأخوين لندن المبكرة. وتشير الطاقة السالبة عند السطح الفاصل إلى أن النظام غير مستقر عند زيادة عدد هذه الأسطح الفاصلة إلى أقصى حد. ولم يُرصد هذا عدم الاستقرار إلا في تجارب شوبنيكوف عام 1936، حيث تم اكتشاف مجالين حرجين.

في عام ١٩٥٢، أبلغ زافاريتسكي عن رصدٍ لظاهرة الموصلية الفائقة من النوع الثاني. وقد أثبت فريتز لندن ^{[ ١٠ ] [ ١١ ]} أن التدفق المغناطيسي يمكن أن يخترق الموصل الفائق عبر عيب طوبولوجي ذي لف طور صحيح ويحمل تدفقًا مغناطيسيًا كميًا. كما أثبت أونساغر وفينمان أن الدوامات الكمومية تتشكل في الموائع الفائقة. ^{[ ١٢ ] [ ١٣ ]}

عمّمت ورقة بحثية نُشرت عام ١٩٥٧ بقلم أ. أ. أبريكوسوف ^{[ ٧ ]} هذه الأفكار. في حالة طول التماسك القصير جدًا، يكون حل الدوامة مطابقًا لتدفق لندن ^{[ ١١ ]} ، حيث يُقارب لب الدوامة بقطع حاد بدلًا من التلاشي التدريجي للمكثف فائق التوصيل بالقرب من مركز الدوامة. وجد أبريكوسوف أن الدوامات تُرتّب نفسها في مصفوفة منتظمة تُعرف باسم شبكة الدوامات ^{[ ٩ ]} . بالقرب من ما يُسمى بالمجال المغناطيسي الحرج العلوي، تُصبح مشكلة الموصل الفائق في مجال خارجي مُكافئة لمشكلة حالة الدوامة في مائع فائق الدوران، والتي ناقشها لارس أونساجر وريتشارد فاينمان .

تُصنع الموصلات الفائقة من النوع الثاني عادةً من سبائك معدنية أو خزف أكسيدي معقد . جميع الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية هي من النوع الثاني. في حين أن معظم الموصلات الفائقة العنصرية من النوع الأول، فإن النيوبيوم والفاناديوم والتكنيتيوم هي موصلات فائقة عنصرية من النوع الثاني. كما أن الماس والسيليكون المُطعَّمين بالبورون هما أيضًا من النوع الثاني. يمكن أن تُظهر الموصلات الفائقة المصنوعة من السبائك المعدنية سلوكًا من النوع الثاني (مثل النيوبيوم-التيتانيوم ، وهو أحد أكثر الموصلات الفائقة شيوعًا في تطبيقات الموصلية الفائقة)، بالإضافة إلى المركبات بين الفلزية مثل النيوبيوم-القصدير .

من الأمثلة الأخرى على النوع الثاني مواد السيراميك من نوع الكوبرات - بيروفسكايت _، والتي حققت أعلى درجات حرارة حرجة فائقة التوصيل. تشمل هذه المواد La1.85Ba0.15CuO4 و BSCCO _{و YBCO} ( أكسيد الإيتريوم - الباريوم - النحاس ) ، الذي اشتهر بكونه أول مادة تحقق التوصيل الفائق فوق درجة غليان النيتروجين السائل (77 كلفن). وبفضل التثبيت الدوامي القوي ، تقترب الكوبرات من الموصلات الفائقة الصلبة المثالية .

تستخدم المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل القوية (المستخدمة في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ، وأجهزة الرنين النووي المغناطيسي ، ومسرعات الجسيمات ) غالبًا ملفات ملفوفة من أسلاك النيوبيوم والتيتانيوم، أو أسلاك النيوبيوم والقصدير في المجالات المغناطيسية الأعلى . تُصنف هذه المواد ضمن الموصلات الفائقة من النوع الثاني، وتتميز بمجال مغناطيسي حرج علوي كبير ( H _{_c2}). وعلى عكس الموصلات الفائقة النحاسية، على سبيل المثال، ذات المجال المغناطيسي الحرج الأعلى ( H _{_c2)} ، يمكن تشكيلها بسهولة إلى أسلاك. ومع ذلك، فقد أتاحت أشرطة التوصيل الفائقة من الجيل الثاني مؤخرًا استبدال الأسلاك الأرخص المصنوعة من النيوبيوم بأشرطة أغلى ثمنًا، ولكنها فائقة التوصيل عند درجات حرارة ومجالات مغناطيسية أعلى بكثير.