Efekt Meissnera i jego zastosowanie

Efekt Meissnera lub efekt Meissnera-Oxenfelda polega na przemieszczeniu pola magnetycznego z masy nadprzewodnika podczas jego przejścia do stanu nadprzewodzącego. Zjawisko to odkryli w 1933 roku niemieccy fizycy Walter Meissner i Robert Oxenfeld, którzy zmierzyli rozkład pola magnetycznego na zewnątrz nadprzewodzących próbek cyny i ołowiu.

Waltera Meissnera

W eksperymencie nadprzewodniki w obecności przyłożonego pola magnetycznego schładzano poniżej ich nadprzewodzącej temperatury przejścia, aż prawie całe wewnętrzne pole magnetyczne próbek zostało zresetowane. Efekt został wykryty przez naukowców tylko pośrednio, ponieważ strumień magnetyczny nadprzewodnika jest zachowany: gdy pole magnetyczne wewnątrz próbki maleje, zewnętrzne pole magnetyczne wzrasta.

W ten sposób eksperyment po raz pierwszy wyraźnie pokazał, że nadprzewodniki są nie tylko idealnymi przewodnikami, ale także wykazują unikalną właściwość definiującą stan nadprzewodzący.Zdolność do przesuwania pola magnetycznego jest określona przez naturę równowagi utworzonej przez neutralizację wewnątrz komórki elementarnej nadprzewodnika.

Mówi się, że nadprzewodnik z niewielkim lub zerowym polem magnetycznym jest w stanie Meissnera. Ale stan Meissnera załamuje się, gdy przyłożone pole magnetyczne jest zbyt silne.

Warto w tym miejscu zauważyć, że nadprzewodniki można podzielić na dwie klasy w zależności od tego, jak dochodzi do tego naruszenia.W nadprzewodnikach pierwszego typu nadprzewodnictwo zostaje gwałtownie naruszone, gdy siła przyłożonego pola magnetycznego przekracza wartość krytyczną Hc .

W zależności od geometrii próbki można uzyskać stan pośredni, podobny do wykwintnego wzoru obszarów normalnego materiału przenoszącego pole magnetyczne zmieszanych z obszarami materiału nadprzewodzącego, w których nie ma pola magnetycznego.

W nadprzewodnikach typu II zwiększenie przyłożonego natężenia pola magnetycznego do pierwszej wartości krytycznej Hc1 prowadzi do stanu mieszanego (zwanego też stanem wirowym), w którym coraz więcej strumienia magnetycznego przenika przez materiał, ale nie ma oporu dla prądu elektrycznego chyba że ten prąd nie jest zbyt duży.

Przy wartości drugiej wytrzymałości krytycznej Hc2 stan nadprzewodzący zostaje zniszczony. Stan mieszany jest powodowany przez wiry w nadciekłym płynie elektronowym, które czasami nazywane są strumieniami (fluxon-kwant strumienia magnetycznego), ponieważ strumień przenoszony przez te wiry jest skwantowany.

Najczystsze nadprzewodniki elementarne, z wyjątkiem nanorurek niobowych i węglowych, należą do pierwszego typu, podczas gdy prawie wszystkie zanieczyszczenia i złożone nadprzewodniki należą do drugiego typu.

Fenomenologicznie efekt Meissnera wyjaśnili bracia Fritz i Heinz London, którzy wykazali, że swobodna energia elektromagnetyczna nadprzewodnika jest zminimalizowana pod warunkiem:

Warunek ten nazywany jest równaniem Londona. Przewidział, że pole magnetyczne w nadprzewodniku zanika wykładniczo od dowolnej wartości, jaką ma na powierzchni.

Jeśli przyłożone zostanie słabe pole magnetyczne, nadprzewodnik wypiera prawie cały strumień magnetyczny. Wynika to z pojawiania się prądów elektrycznych w pobliżu jego powierzchni.Pole magnetyczne prądów powierzchniowych neutralizuje przyłożone pole magnetyczne wewnątrz objętości nadprzewodnika. Ponieważ przemieszczenie lub tłumienie pola nie zmienia się w czasie, oznacza to, że prądy tworzące ten efekt (prądy stałe) nie zanikają w czasie.

W pobliżu powierzchni próbki, w głębi Londynu, pole magnetyczne nie jest całkowicie nieobecne. Każdy materiał nadprzewodzący ma swoją własną głębokość penetracji magnetycznej.

Każdy doskonały przewodnik zapobiegnie zmianie strumienia magnetycznego przechodzącego przez jego powierzchnię z powodu normalnej indukcji elektromagnetycznej przy zerowym oporze. Ale efekt Meissnera różni się od tego zjawiska.

Kiedy konwencjonalny przewodnik jest schładzany do stanu nadprzewodzącego w obecności trwale przyłożonego pola magnetycznego, strumień magnetyczny jest wyrzucany podczas tego przejścia. Tego efektu nie można wytłumaczyć nieskończoną przewodnością.

Umieszczenie i późniejsze lewitowanie magnesu na materiale już nadprzewodzącym nie wykazuje efektu Meissnera, podczas gdy efekt Meissnera pojawia się, jeśli początkowo nieruchomy magnes zostanie później odepchnięty przez nadprzewodnik schłodzony do temperatury krytycznej.

W stanie Meissnera nadprzewodniki wykazują doskonały diamagnetyzm lub superdiamagnetyzm. Oznacza to, że całkowite pole magnetyczne jest bardzo bliskie zeru głęboko w ich wnętrzu, w dużej odległości od powierzchni. Podatność magnetyczna -1.

Diamagnetyzm jest definiowany przez generowanie spontanicznego namagnesowania materiału, które jest dokładnie przeciwne do kierunku zewnętrznego pola magnetycznego.Jednak podstawowe pochodzenie diamagnetyzmu w nadprzewodnikach i normalnych materiałach jest zupełnie inne.

W zwykłych materiałach diamagnetyzm występuje bezpośrednio w wyniku indukowanej elektromagnetycznie rotacji orbitalnej elektronów wokół jąder atomowych, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole magnetyczne. W nadprzewodnikach złudzenie doskonałego diamagnetyzmu powstaje z powodu stałych prądów ekranujących, które płyną wbrew przyłożonemu polu (sam efekt Meissnera), a nie tylko z powodu wirowania orbity.

Odkrycie efektu Meissnera doprowadziło w 1935 r. do fenomenologicznej teorii nadprzewodnictwa autorstwa Fritza i Heinza Londonów. Teoria ta wyjaśnia zanik oporu i efekt Meissnera. To pozwoliło nam dokonać pierwszych teoretycznych przewidywań dotyczących nadprzewodnictwa.

Jednak teoria ta wyjaśnia tylko obserwacje eksperymentalne, ale nie pozwala na identyfikację makroskopowego pochodzenia właściwości nadprzewodnictwa.Udało się to później, w 1957 roku, dzięki teorii Bardeena-Coopera-Schriefera, z której wynika zarówno głębokość penetracji, jak i efekt Meissnera. Jednak niektórzy fizycy twierdzą, że teoria Bardeena-Coopera-Schrieffera nie wyjaśnia efektu Meissnera.

Efekt Meissnera stosuje się zgodnie z następującą zasadą. Kiedy temperatura materiału nadprzewodzącego przekracza wartość krytyczną, otaczające go pole magnetyczne gwałtownie się zmienia, co powoduje generowanie impulsu pola elektromagnetycznego w cewce nawiniętej wokół takiego materiału. A gdy zmienia się prąd cewki sterującej, można kontrolować stan magnetyczny materiału. Zjawisko to jest wykorzystywane do pomiaru ultrasłabych pól magnetycznych za pomocą specjalnych czujników.

Kriotron to urządzenie przełączające oparte na efekcie Meissnera. Strukturalnie składa się z dwóch nadprzewodników. Cewka z niobu jest owinięta wokół tantalowego pręta, przez który przepływa prąd sterujący.

Wraz ze wzrostem prądu sterującego wzrasta siła pola magnetycznego i tantal przechodzi ze stanu nadprzewodzącego do stanu zwykłego.W tym przypadku przewodność drutu tantalowego i prąd roboczy w obwodzie sterującym zmieniają się w sposób nieliniowy sposób. Na bazie kriotronów powstają np. sterowane zawory.