Superconduttori di Tipo II e vortici

I superconduttori di tipo II sono i più utili per le applicazioni.
La profondità di penetrazione in questi materiali è maggiore della lunghezza di coerenza e rimangono nello stato di superconduzione anche dopo la penetrazione del campo magnetico. I superconduttori di II tipo possono sopportare campi molto forti e quindi trasportare correnti più intense.
Questa classe di superconduttori è stata identificata a partire dal 1930 con i composti di piombo-bismuto.
Tutti i superconduttori d’interesse tecnologico, inclusi quelli ad alta temperatura critica finora noti, sono di questo tipo.
Il tipo II raggiunge una Tc più alta del tipo I con un meccanismo che, però, non è stato ancora del tutto compreso.
Fino ad oggi la Tc max. è stata di 138K.
I superconduttori di tipo II differiscono dagli altri perché la loro transizione dallo stato normale a quel superconduttore è graduale e attraversa una regione di "stato misto" e permettono anche alcune penetrazioni di campi magnetici esterni applicati sulla sua superficie.
Negli anni cinquanta il fisico russo Aleksej A. Abrikosov pubblicò la teoria di base sul comportamento di un superconduttore convenzionale di tipo II in presenza di un campo magnetico.
Abrikosov riuscì a dimostrare che il comportamento magnetico di un superconduttore di tipo II al di sotto della temperatura critica dipende dall'intensità del campo applicato e dalla temperatura.
Tale relazione può essere rappresentata da un diagramma di fase magnetico, il quale mostra che un superconduttore convenzionale ha tre stati magnetici distinti.
Il primo è lo stato Meissner completo.
Cioè lo stato in cui il materiale espelle totalmente il flusso magnetico applicato.
Il superconduttore esiste in questo stato finché il campo magnetico resta al di sotto di una certa intensità: questo campo, chiamato campo critico inferiore, dipende in generale dalla temperatura, assume il suo valore massimo a temperatura zero e si annulla alla temperatura critica.
Il secondo è lo stato Meissner parziale.
Si presenta se il campo applicato viene portato a un livello più alto del campo critico inferiore.
A questo punto il campo magnetico può penetrare nel superconduttore, ma non completamente o uniformemente.
La penetrazione del campo magnetico nel materiale avviene per mezzo di tubi di flusso discreti che formano intrusioni tubolari del campo applicato.
La meccanica quantistica dei superconduttori richiede che ogni tubo di flusso (flussoide) porti la stessa quantità di flusso magnetico: questa unità di flusso è nota come quanto di flusso.
Dato che ogni flussoide deve portare la stessa quantità di flusso, ogni cambiamento del campo magnetico applicato deve modificare la densità dei flussoidi.
In altre parole, al variare del campo applicato varierà la distanza fra i flussoidi.
La struttura di una singola linea di vortice dipende dalla lunghezza di coerenza e dalla lunghezza di penetrazione.
Ogni linea di flusso presenta un piccolo «nucleo» centrale, il cui diametro è legato alla lunghezza di coerenza.
All'interno del nucleo il materiale è un metallo normale, mentre attorno a esso circolano le supercorrenti.
(La corrente circolante è la ragione per la quale il nucleo viene indicato come linea di vortice.)
Queste supercorrenti producono un campo magnetico che tende schermare il campo magnetico esterno applicato e la distanza lungo la quale il campo persiste è la profondità di penetrazione.
Al terzo e ultimo stato di un superconduttore si perviene se il campo magnetico applicato raggiunge un secondo e più alto valore critico.
Al di sopra di questo valore (campo critico superiore) lo stato di superconduzione viene completamente distrutto e il materiale è ricondotto al suo stato normale.
La distruzione si verifica perché l'incremento dell'intensità del campo magnetico forza i vortici gli uni sempre più vicini agli altri.
Quando i nuclei dei vortici, che si comportano come metalli normali, si sovrappongono, non c'è più spazio a sufficienza fra di essi per mantenere la superconduttività.