Эффект Мейснера

Схема эффекта Мейснера. Линии магнитного поля, представленные стрелками, исключаются из сверхпроводника, когда его температура ниже критической.

Эффект Мейснера (или эффект Мейснера-Оксенфельда ) — это вытеснение магнитного поля из сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние при его охлаждении ниже критической температуры. Это изгнание оттолкнет ближайший магнит.

Немецкие физики Вальтер Мейснер (англизированный Мейснер ) и Роберт Оксенфельд. обнаружил это явление в 1933 году, измеряя распределение магнитного поля вне сверхпроводящих образцов олова и свинца. Образцы в присутствии приложенного магнитного поля охлаждались ниже температуры сверхпроводящего перехода , после чего образцы гасили почти все внутренние магнитные поля. Они обнаружили этот эффект лишь косвенно, поскольку магнитный поток сохраняется в сверхпроводнике: когда внутреннее поле уменьшается, внешнее поле увеличивается. Эксперимент впервые продемонстрировал, что сверхпроводники — это нечто большее, чем просто идеальные проводники, и выявил уникальное определяющее свойство состояния сверхпроводника. Способность к эффекту вытеснения определяется характером равновесия, образующегося при нейтрализации внутри элементарной ячейки сверхпроводника.

Говорят, что сверхпроводник с небольшим магнитным полем или вообще без него находится в состоянии Мейснера. Состояние Мейсснера нарушается, когда приложенное магнитное поле слишком сильное. Сверхпроводники можно разделить на два класса в зависимости от того, как происходит этот пробой.

В сверхпроводниках I рода когда напряженность приложенного поля превышает критическое значение Hc _{сверхпроводимость резко разрушается ,} . В зависимости от геометрии образца можно получить промежуточное состояние состоящий из узора в стиле барокко областей нормального материала, несущего магнитное поле, смешанного с областями сверхпроводящего материала, не содержащего поля.

В сверхпроводниках типа II увеличение приложенного поля выше критического значения H _{c 1} приводит к смешанному состоянию (также известному как вихревое состояние), при котором все большее количество магнитного потока проникает в материал, но сопротивление электрическому току не сохраняется. ток, пока ток не слишком велик. Некоторые сверхпроводники II рода обладают небольшим, но конечным сопротивлением в смешанном состоянии из-за движения вихрей потока, индуцированных силами Лоренца от тока. Поскольку ядрами вихрей являются обычные электроны, их движение будет иметь диссипацию. При второй критической напряженности поля H _{c 2} сверхпроводимость разрушается. Смешанное состояние вызвано вихрями в электронной сверхтекучей жидкости, иногда называемыми флаксонами, поскольку поток, переносимый этими вихрями, квантован .

Большинство чистых элементарных сверхпроводников, за исключением ниобия и углеродных нанотрубок , относятся к типу I, тогда как почти все примесные и составные сверхпроводники относятся к типу II.

Объяснение

Эффект Мейсснера получил феноменологическое объяснение братьями Фрицем и Хайнцем Лондонами , показавшими, что свободная электромагнитная энергия в сверхпроводнике минимизируется при условии, что

$\nabla ^{2}\mathbf {H} =\lambda ^{-2}\mathbf {H} \,$

где H — магнитное поле, а λ — глубина проникновения Лондона .

Это уравнение, известное как уравнение Лондона , предсказывает, что магнитное поле в сверхпроводнике затухает экспоненциально от любого значения, которым оно обладает на поверхности. Такое исключение магнитного поля является проявлением сверхдиамагнетизма, возникающего при фазовом переходе от проводника к сверхпроводнику, например, при понижении температуры ниже критической.

В слабом приложенном поле (меньше критического поля, разрушающего сверхпроводящую фазу) сверхпроводник вытесняет почти весь магнитный поток , создавая электрические токи вблизи своей поверхности, поскольку магнитное поле H индуцирует намагниченность M в пределах глубины проникновения Лондона от поверхность. Эти поверхностные токи защищают внутреннюю часть сверхпроводника от внешнего приложенного поля. Поскольку вытеснение или подавление поля не изменяется со временем, токи, вызывающие этот эффект (называемые постоянными токами или экранирующими токами), не затухают со временем.

Вблизи поверхности, на глубине проникновения Лондона , магнитное поле полностью не упраздняется. Каждый сверхпроводящий материал имеет свою характерную глубину проникновения.

Любой идеальный проводник предотвратит любое изменение магнитного потока, проходящего через его поверхность, из-за обычной электромагнитной индукции при нулевом сопротивлении. Однако эффект Мейснера отличается от этого: когда обычный проводник охлаждается так, что он переходит в сверхпроводящее состояние в присутствии постоянного приложенного магнитного поля, во время перехода магнитный поток вытесняется. Этот эффект нельзя объяснить бесконечной проводимостью, а только уравнением Лондона. Размещение и последующая левитация магнита над уже сверхпроводящим материалом не демонстрирует эффект Мейснера, в то время как первоначально неподвижный магнит, позже отталкиваемый сверхпроводником при охлаждении ниже критической температуры , демонстрирует эффект.

Постоянные токи, которые существуют в сверхпроводнике и вытесняют магнитное поле, обычно ошибочно воспринимаются как результат закона Ленца или закона Фарадея . Причина, по которой это не так, заключается в том, что не было сделано никаких изменений в потоке, чтобы индуцировать ток. Другое объяснение состоит в том, что, поскольку сверхпроводник испытывает нулевое сопротивление, в сверхпроводнике не может быть наведенной ЭДС. Таким образом, сохраняющийся ток не является результатом закона Фарадея.

Совершенный диамагнетизм

Сверхпроводники в состоянии Мейсснера демонстрируют идеальный диамагнетизм или супердиамагнетизм , что означает, что общее магнитное поле очень близко к нулю глубоко внутри них (большая глубина проникновения от поверхности). Это означает, что их объемная магнитная восприимчивость равна $\chi _{v}$ = −1. Диамагнетизм определяется возникновением спонтанной намагниченности материала, которая прямо противоположна направлению приложенного поля. Однако фундаментальные причины диамагнетизма в сверхпроводниках и обычных материалах сильно различаются. В обычных материалах диамагнетизм возникает как прямой результат орбитального вращения электронов вокруг ядра атома, индуцированного электромагнитным путем приложением приложенного поля. В сверхпроводниках иллюзия идеального диамагнетизма возникает из-за постоянных экранирующих токов, которые текут навстречу приложенному полю (эффект Мейснера); не только орбитальное вращение.

Последствия

Открытие эффекта Мейснера привело к созданию феноменологической теории сверхпроводимости Фрицем и Хайнцем Лондонами в 1935 году. Эта теория объяснила перенос без сопротивления и эффект Мейсснера и позволила сделать первые теоретические предсказания сверхпроводимости. Однако эта теория лишь объясняла экспериментальные наблюдения — она не позволяла выявить микроскопические причины сверхпроводящих свойств. Это было успешно сделано с помощью теории БКШ в 1957 году, из которой вытекают глубина проникновения и эффект Мейснера. Однако некоторые физики утверждают, что теория БКШ не объясняет эффект Мейснера.

• 
  Оловянный цилиндр в колбе Дьюара, наполненной жидким гелием, помещен между полюсами электромагнита. Магнитное поле составляет около 8 миллитесл (80 Гс ).
• 
  Т = 4,2 К, В = 8 мТл (80 Гс). Олово находится в нормально проводящем состоянии. Стрелки компаса указывают на то, что магнитный поток пронизывает цилиндр.
• 
  Цилиндр охладили с 4,2 К до 1,6 К. Ток в электромагните сохранился постоянным, но при температуре около 3 К олово стало сверхпроводящим. Магнитный поток вытеснился из цилиндра (эффект Мейснера).

Парадигма механизма Хиггса

Эффект сверхпроводимости Мейсснера служит важной парадигмой для механизма генерации массы M (т.е. обратного диапазона , $\lambda _{M}:=h/(Mc)$ где h — постоянная Планка , с — скорость света ) для калибровочного поля . Фактически эта аналогия является абелевым примером механизма Хиггса . который генерирует массы электрослабых
В ^±
и
С
Калибровочные частицы в физике высоких энергий . Длина $\lambda _{M}$ тождественна лондонской глубине проникновения в теории сверхпроводимости .

См. также

• Закрепление флюса
• Эффект Силсби
• сверхтекучий

Дальнейшее чтение

• Эйнштейн, А. (1922). «Теоретическое замечание о сверхпроводимости металлов». arXiv : физика/0510251 .
• Лондон, ФРВ (1960). «Макроскопическая теория сверхпроводимости». Сверхтекучие жидкости . Строение ряда материи. Том. 1 (пересмотренное 2-е изд.). Дувр . ISBN  978-0-486-60044-4 . Человек, который объяснил эффект Мейснера. На стр. 34–37 дается техническое обсуждение эффекта Мейсснера для сверхпроводящей сферы.
• Саслоу, WM (2002). Электричество, магнетизм и свет . Академический. ISBN  978-0-12-619455-5 . На стр. 486–489 дается простое математическое обсуждение поверхностных токов, ответственных за эффект Мейсснера, в случае длинного магнита, парящего над сверхпроводящей плоскостью.
• Тинкхэм, М. (2004). Введение в сверхпроводимость . Дуврские книги по физике (2-е изд.). Дувр. ISBN  978-0-486-43503-9 . Хороший технический справочник.

Внешние ссылки

• Эффект Мейснера - Фейнмановские лекции по физике
• Эффект Мейснера (Наука с нуля) Короткое видео из Имперского колледжа Лондона об эффекте Мейснера и левитирующих поездах будущего.
• Введение в сверхпроводимость Видео о сверхпроводниках 1-го типа: R = 0/Температуры перехода/ B – переменная состояния/Эффект Мейсснера/Энергетическая щель (Гиавер)/Модель БКШ.
• Эффект Мейснера (гиперфизика)
• Историческая подоплека эффекта Мейснера