孤注一擲的第一個家族
回想邁斯納那一篇：超導體會把磁場推出體外，而一旦磁場太強——超過它的臨界磁場——它就投降，變回普通金屬。最早發現的那些超導體，比如昂內斯的水銀和鉛，就是以這種孤注一擲的方式行事。在臨界磁場以下，它們內部完全無磁；磁場一旦超過它，超導便在各處同時徹底崩潰。
這些叫做第一類超導體。它們乾淨簡單，完美地展示了教科書裡的邁斯納效應。但有個要命之處，讓它們幾乎沒法用來造強磁體：它們的臨界磁場太弱了。一塊尋常的磁體就足以摧毀它們的超導。而由於承載大電流本身就會產生磁場，一根第一類導線還沒載多大電流，它自己的磁場就把它所依賴的那個態給殺死了。
更聰明的第二個家族
後來人們發現了第二個家族，它會做出一種折中——而這折中改變了技術。這些是第二類超導體。在弱磁場下，它們和第一個家族一樣，把磁場徹底排出去。但當磁場增強時，它們不是一下子崩潰，而是達成一筆交易：超過第一道較低的門檻後，它們允許磁場以一種受控的、零敲碎打的方式穿過去，而在其餘各處仍保持超導。
想像一把傘在大雨裡。第一類傘替你擋得滴水不沾，直到大風把它吹得裡朝外翻，從此你渾身濕透。第二類傘面對同樣的風，讓幾滴雨從一些小針孔裡漏進來——你在幾處稍微淋濕一點——但身上其餘地方仍是乾的，而這傘能在惡劣得多的天氣裡繼續頂用。那些針孔，是存活的代價。
磁場的漩渦
那些針孔有個名字，還有一種優美的結構。每一個都是一道磁通渦旋：一根細管，磁場獲准從那裡筆直穿過材料，四周環繞著一圈微小的、打轉的超導電流的漩渦——就像水螺旋著流下排水口的那種旋渦。電流繞著管子打轉，恰恰是為了把磁場圍堵起來，將它釘在那狹窄的管芯裡，擋在其他一切地方之外。
在這裡，先前提過的磁通量子化又全力登場了：每一個渦旋都攜帶完全相同的、固定的一份磁場，不多一分，不少一分。磁場越強，無非是渦旋越多、擠得越密，每一個都和上一個一模一樣。在弱磁場下，它們鋪開成一個整齊的三角形網格，你真的能把它拍下來——一片穿過金屬的、井井有條的漩渦陣列。
TYPE-I: field | superconducting?
weak | yes, fully field-free inside
> Hc | NO (collapses everywhere at once)
TYPE-II: field | superconducting?
weak | yes, fully field-free inside
medium | yes, but field pierces as vortices
> Hc2 | NO (vortices overlap; state is gone)為什麼渦旋必須被釘牢
放進渦旋，是第二類超導體得以挺過巨大磁場的原因——但它也帶來一個新問題。一塊超導體在不失去零電阻的前提下能穩定承載的最大電流，叫做它的臨界電流。在第二類材料裡，這個電流上限是由渦旋決定的。當電流流過一道渦旋時，會從側面推它，而一旦渦旋開始移動，這種移動就會從電流裡拽走能量，電阻便悄悄回來。一塊渦旋四處遊蕩的超導體，就不再是完美無損的了。
對策是把渦旋釘死在原地。工程師故意在導線裡撒進微小的瑕疵和雜質，它們就像一個個小鉤子，鉤住每道渦旋，使其固定不動。這叫做渦旋釘扎。一根釘扎得當的導線，能在強磁場中承載巨大的電流而仍不顯電阻，因為渦旋被卡住了，沒法抽走能量。製造超導磁體這門手藝，在出人意料的程度上，就是把渦旋釘好的手藝。
為什麼會有這種區別
是什麼決定了一種材料屬於哪個家族？歸根結底是兩個微小的長度尺度在較量。一個是上一篇裡的相干長度——大致是一對庫珀對的尺寸，是超導態能夠發生變化的最小區塊。另一個是磁場從表面能滲入多深，才被屏蔽電流擋住。當磁場滲入的距離比相干長度更長時，材料覺得把自己佈滿渦旋是划算的，於是它是第二類；反過來，則是第一類。
你不必算清這筆賬，也能記住這句要點：第一類在低磁場處一下子全盤放棄，而第二類通過讓磁場以量子化渦旋陣列的形式穿過去來容忍它，能挺到高出幾百倍的磁場。幾乎每一塊幹真活的超導體——你將在下一篇裡遇見的每一塊強大磁體——都是第二類材料。