第1.5種超伝導体（だい1.5しゅちょうでんどうたい、）とは、磁場侵入長 より短いコヒーレンス長 と、磁場侵入長より長いコヒーレンス長をそれぞれ一つ以上持つ多成分超伝導体である。これは、一つのコヒーレンス長しか持たず、第一種 () または第二種 () のいずれかに分類される単一成分超伝導体とは対照的な性質を示すコヒーレンス長を の係数で定義する場合、対応する不等式は および となる。。
磁場中において、第1.5種超伝導体は磁束を運ぶ励起状態である量子渦（ボルテックス）を形成する。この渦は、クーパー対の渦状の循環により、磁束が超伝導体内を通過することを可能にする。これらの渦は長距離では引力的、短距離では斥力的な相互作用を持つ。その結果、磁場中の第1.5種超伝導体は、磁場が排除された領域（マイスナー状態）と、渦間の引力によって結合された量子渦のクラスター領域へと相分離を起こす。この相分離状態は「セミ・マイスナー状態」と呼ばれる。マイスナー領域は2成分の超伝導性を保持するが、渦クラスター内では超伝導成分の一方が抑制される。したがって、このような材料は第一種超伝導体と第二種超伝導体の特性の共存を可能にする。
説明 第一種超伝導体は、外部磁場の強度が十分に小さい場合、磁場を完全に排除し、超伝導電流は表面のみを流れる（マイスナー状態）。しかし、外部磁場のエネルギーが超伝導凝縮エネルギーと同等になると、常伝導相の介在物が巨視的に形成され、超伝導が破壊される。
第二種超伝導体は、マイスナー状態以外の状態も保持し得る。十分に強い磁場を印加すると、量子渦超伝導状態での量子渦は特にアブリコソフ-ボルテックスと呼ぶ。の形成により内部でも電流が発生する。これらの渦はそれぞれ内部を通る磁束量子を一つずつ運び、渦同士は互いに反発してアブリコソフ格子と呼ばれる渦格子を形成する。
厳密には渦状態は第一種超伝導体にも存在し得るが、渦間の相互作用が純粋な引力であるため、多数の渦が存在する状態は、表面に超伝導電流が流れる状態へと速やかに崩壊する。さらに、第一種超伝導体における渦形成はエネルギー的に不利であり、形成には臨界磁場よりも強い磁場を印加する必要があるため、通常は渦を形成せず直接常伝導状態に移行する。通常のギンツブルグ-ランダウ理論では、純粋に反発的な相互作用を持つ量子渦のみが、磁場により誘起されるほど十分に低いエネルギーを持つ。
複数のコヒーレンス長を持つ多成分超伝導体では、従来の分類法が適用できない可能性が提案されている。 多成分超伝導の例として、多バンド超伝導体である二ホウ化マグネシウムや鉄系超伝導物質、非自明なクーパー対を持つエキゾチック超伝導が挙げられる。これらの物質では、異なるバンド構造に属する電子系など、2つ以上の超伝導成分を区別することができる。また、液体金属水素や重水素において予測される超伝導状態では、超伝導電子と超伝導陽子（あるいは重水素）の混合状態が理論的に予測されている。
また、 と 、 と などの異なる超伝導相間の相転移においては、一般にコヒーレンス長の発散を伴うため、遷移の近傍で第1.5種の状態に移行すると考えられている。
+ 第1.5種超伝導体の特性概要 特徴 第一種超伝導体 第二種超伝導体 第1.5種超伝導体 特徴的な長さスケール 渦間の相互作用 引力的 反発磁力 長距離で引力的、短距離で斥力的 磁場中の位相 (1) マイスナー状態、(2) 巨視的な常伝導状態。(1)と(2)の一次相転移 (1) マイスナー状態、(2) 渦格子・渦液体状態 (1) マイスナー状態、(2) セミ・マイスナー状態（マイスナー領域と渦クラスターの共存）、(3) 渦格子・渦液体状態 相転移の性質 (1)と(2)の間で一次相転移 二次相転移 (1)と(2)の間で一次相転移、(2)から常伝導状態で二次相転移 磁場侵入のエネルギー 正（表面エネルギー） 負 渦クラスター内部で負、クラスター境界で正 渦形成に必要な最小磁場 熱力学的臨界磁場より大きい 熱力学的臨界磁場より小さい 単一の渦の臨界磁場より大きい場合も、小さい場合もある N量子軸対称渦のエネルギー E(N) 全てのNで となり、1量子渦に崩壊しない 全てのNで となり、1量子渦に崩壊する では結合、 では崩壊する（は特徴的な磁束量子数）
相互作用の物理的起源 第1.5種超伝導における渦間の「長距離引力・短距離斥力」の起源は、2つの超伝導成分が持つ異なるコヒーレンス長に由来する。 短距離斥力：第1.5種超伝導体では、磁場侵入長 よりも短いコヒーレンス長（例えば ）が存在する。磁気的な反発力は長さスケール で減衰するが、コヒーレンス長が短い成分による芯の重なりによる斥力はそれより短い距離で支配的となる。 長距離引力：一方で、磁場侵入長 よりも長いコヒーレンス長（例えば ）を持つ成分が存在する場合、磁気的な反発が減衰した後の遠距離において、凝縮体の密度の重なりによるエネルギー利得（引力）が支配的となる。 この非単調な相互作用により、渦はアブリコソフ格子のような均一な空間分布をとらず、特定の密度でパッキングされた「渦クラスター」を形成し、それ以外の場所は渦のない「マイスナー領域」として残る相分離現象が起こる。
独立に保存される凝縮体の混合系 対称性を持つ多成分超伝導体の場合、ギンツブルグ・ランダウモデルは、ベクトルポテンシャルによって結合された2つの単成分モデルの和として記述される。
ここで、 は2つの超伝導凝縮体である。凝縮体が電磁的にのみ結合している場合、このモデルには3つの長さスケール（ロンドン侵入長 、および2つのコヒーレンス長 ）が存在する。
この系における渦励起は両方の成分にコアを持ち、電磁場を介した結合によってコアは同心円状に重なる。ここで、 という条件は第1.5種超伝導が発生するための必要条件であるが、十分条件ではない。 特定のパラメータ範囲において熱力学的安定性の追加条件が満たされるとき、これらの渦は長距離で引き合い、短距離で反発するという非単調な相互作用を示す。
引力相互作用が存在するにもかかわらず、外部磁場によって渦が励起されることがエネルギー的に有利となるパラメータ範囲があり、これにより低磁場において「セミ・マイスナー (Semi-Meissner) 状態」と呼ばれる特殊な超伝導相が形成される。 この状態では、渦は規則的な構造をとらず、凝縮体密度の抑制によって生じる長距離引力のため、渦の「ドロップレット（液滴）」状のクラスターを形成する傾向がある。このような渦クラスターは、渦のない2成分マイスナー領域と共存する。クラスター内部では、コヒーレンス長が長い方の成分が抑制されるため、その成分の電流はクラスターの境界付近にのみ顕著に流れる。
多バンド系 2バンド超伝導体では、異なるバンドの電子が独立に保存されないため、2つの超伝導成分の定義が異なる。2バンド超伝導体は、以下のギンツブルグ＝ランダウ・モデルによって記述される。
ここで、 は2つの超伝導凝縮体である。多バンド超伝導体では、一般に となる。 の場合、この問題における3つの長さスケールは、ロンドン侵入長と、密度場の「混合」された組み合わせに関連付けられる2つのコヒーレンス長 となる。
微視的モデル 第1.5種超伝導の微視的理論は、SilaevおよびBabaevらによって報告されている。
近年の実験報告 2009年、非常に純度の高い二ホウ化マグネシウム () がこの新しいクラスの超伝導に該当する可能性が実験的に示された。 この状態に対して「第1.5種超伝導体」という用語が作られた。
その後の理論研究により、第1.5種超伝導はより一般的な現象である可能性が示されている。これは、2つの真に超伝導なバンドを持つ材料である必要はなく、ごくわずかなバンド間近接効果の結果としても発生し得ること、 また、バンド間ジョセフソン結合などの様々なバンド間結合に対しても堅牢であることが示されている。 2014年の研究では、ルテニウム酸ストロンチウム () も第1.5種超伝導体であることが示唆された。
専門外向けの解説
第一種および第二種超伝導体は、磁場に対する電荷の流れ方が劇的に異なる。
第一種超伝導体：電気抵抗がゼロであり、外部磁場を内部に入れない性質（マイスナー効果）を持つ。磁場が加わると表面に強い電流を流し、逆方向の磁場を作って内部磁場を打ち消す。これは、一般的な導体が表面電荷によって内部電場を打ち消す仕組みと似ている。 第二種超伝導体：磁場を「量子渦（ボルテックス）」として内部に浸透させる。これらの渦はアブリコソフ格子と呼ばれる規則的な構造を形成する。
第1.5種超伝導体には、少なくとも2つの超伝導成分が存在する。このような材料では、渦同士が「遠距離では引き合い、短距離では反発する」という性質を持つため、渦が密集した「ドロップレット（液滴）」状のクラスターを形成する。クラスター内部では一方の超伝導成分が弱まるが、もう一方の成分がクラスターの周囲を囲むように流れる。これは第一種超伝導体の表面を流れる電子の振る舞いに似ている。これらの渦クラスターは、渦も電流も磁場も存在しない「ボイド（空隙）」によって隔てられている。
動画 セミ・マイスナー状態の数値シミュレーションでは、磁場を排除したマイスナー領域と、一方は超伝導成分の中に渦ドロップレットが形成され、他方は巨視的な常伝導領域となっているクラスターとが共存する様子が示されている。
関連項目 超伝導 第一種超伝導体 第二種超伝導体 量子渦
注釈
外部リンク