эффект Мейсснера

Expulsion of a magnetic field from a superconductor

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

В физике конденсированного состояния эффект Мейсснера ( или эффект Мейсснера-Оксенфельда ) — это выталкивание магнитного поля из сверхпроводника во время его перехода в сверхпроводящее состояние при охлаждении ниже критической температуры. Это выталкивание отталкивает близлежащий магнит .

Немецкие физики Вальтер Мейсснер (англ. Meissner ) и Роберт Оксенфельд ^[1] открыли это явление в 1933 году, измерив распределение магнитного поля снаружи сверхпроводящих образцов олова и свинца. ^[2] Образцы в присутствии приложенного магнитного поля охлаждались ниже температуры их сверхпроводящего перехода , после чего образцы отменяли почти все внутренние магнитные поля. Они обнаружили этот эффект только косвенно, поскольку магнитный поток сохраняется сверхпроводником: когда внутреннее поле уменьшается, внешнее поле увеличивается. Эксперимент впервые продемонстрировал, что сверхпроводники являются чем-то большим, чем просто идеальными проводниками , и обеспечили уникальное определяющее свойство состояния сверхпроводника. Способность к эффекту выталкивания определяется природой равновесия, образованного нейтрализацией внутри элементарной ячейки сверхпроводника.

Сверхпроводник с небольшим или отсутствующим магнитным полем внутри находится в состоянии Мейсснера. Состояние Мейсснера нарушается, когда приложенное магнитное поле слишком сильное. Сверхпроводники можно разделить на два класса в зависимости от того, как происходит этот разрыв.

• В сверхпроводниках I рода сверхпроводимость резко разрушается, когда напряженность приложенного поля превышает критическое значение H _c . В зависимости от геометрии образца можно получить промежуточное состояние ^[3], состоящее из барочного узора ^[4] областей нормального материала, несущего магнитное поле, смешанного с областями сверхпроводящего материала, не содержащими поля.
• В сверхпроводниках II типа увеличение приложенного поля сверх критического значения H _{c 1} приводит к смешанному состоянию (также известному как состояние вихря), в котором все большее количество магнитного потока проникает в материал, но не остается никакого сопротивления электрическому току , пока ток не слишком велик. Некоторые сверхпроводники II типа демонстрируют небольшое, но конечное сопротивление в смешанном состоянии из-за движения вихрей потока, вызванного силами Лоренца от тока. Поскольку ядрами вихрей являются нормальные 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 флюксонами , потому что поток, переносимый этими вихрями, квантуется .

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

Объяснение

Феноменологическое объяснение эффекта Мейснера дали братья Фриц и Хайнц Лондон , которые показали, что электромагнитная свободная энергия в сверхпроводнике минимизируется при условии, что

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

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

Это уравнение, известное как уравнение Лондона , предсказывает, что магнитное поле в сверхпроводнике экспоненциально затухает от любого значения, которым оно обладает на поверхности. Это исключение магнитного поля является проявлением сверхдиамагнетизма, возникшего во время фазового перехода от проводника к сверхпроводнику, например, при снижении температуры ниже критической температуры.

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 лондоновской глубины проникновения от поверхности. Эти поверхностные токи экранируют внутреннюю часть сверхпроводника от внешнего приложенного поля. Поскольку вытеснение поля, или его компенсация, не изменяется со временем, токи, вызывающие этот эффект (называемые постоянными токами или экранирующими токами), не затухают со временем.

Вблизи поверхности, в пределах лондонской глубины проникновения , магнитное поле не полностью отменяется. Каждый сверхпроводящий материал имеет свою собственную характерную глубину проникновения.

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

Сохраняющиеся токи, которые существуют в сверхпроводнике для вытеснения магнитного поля, 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 для индуцирования тока. Другое объяснение состоит в том, что поскольку сверхпроводник испытывает нулевое сопротивление, в сверхпроводнике не может быть индуцированной ЭДС. Следовательно, сохраняющийся ток не является результатом закона Фарадея.

Идеальный диамагнетизм

Сверхпроводники в состоянии Мейсснера проявляют идеальный диамагнетизм, или супердиамагнетизм , что означает, что полное магнитное поле очень близко к нулю глубоко внутри них (много глубин проникновения от поверхности). Это означает, что их объемная магнитная восприимчивость = −1. Диамагнетики определяются генерацией спонтанной намагниченности материала, которая прямо противоположна направлению приложенного поля. Однако фундаментальные истоки диамагнетизма в сверхпроводниках и обычных материалах сильно различаются. В обычных материалах диамагнетизм возникает как прямой результат орбитального вращения электронов вокруг ядер атома, индуцированного электромагнитно приложением приложенного поля. В сверхпроводниках иллюзия идеального диамагнетизма возникает из-за постоянных экранирующих токов, которые текут, чтобы противостоять приложенному полю (эффект Мейсснера); а не только орбитального вращения. ${\displaystyle \chi _{v}}$

Последствия

Открытие эффекта Мейсснера привело к феноменологической теории сверхпроводимости Фрица и Хайнца Лондона в 1935 году. Эта теория объяснила безызносный транспорт и эффект Мейсснера, а также позволила сделать первые теоретические предсказания относительно сверхпроводимости. Однако эта теория объяснила только экспериментальные наблюдения — она не позволила определить микроскопические истоки сверхпроводящих свойств. Это было успешно сделано теорией БКШ в 1957 году, из которой вытекают глубина проникновения и эффект Мейсснера. ^[5] Однако некоторые физики утверждают, что теория БКШ не объясняет эффект Мейсснера. ^[6]

• 
  Жестяной цилиндр — в сосуде Дьюара, наполненном жидким гелием — был помещен между полюсами электромагнита. Магнитное поле составляет около 8 миллитесла (80 Гс ).
• 
  T = 4,2 К, B = 8 мТл (80 Гс). Олово находится в нормально проводящем состоянии. Стрелки компаса показывают, что магнитный поток пронизывает цилиндр.
• 
  Цилиндр охладили с 4,2 К до 1,6 К. Ток в электромагните поддерживали постоянным, но олово стало сверхпроводящим при температуре около 3 К. Магнитный поток был вытеснен из цилиндра (эффект Мейснера).

Парадигма механизма Хиггса

Эффект сверхпроводимости Мейсснера служит важной парадигмой для механизма генерации массы M (т. е. обратного диапазона , где h — постоянная Планка , а c — скорость света ) для калибровочного поля . Фактически, эта аналогия является абелевым примером для механизма Хиггса , ^[7] который генерирует массы электрослабого ${\displaystyle \lambda _{M}:=h/(Mc)}$
Вт^±
и
З
Калибровочные частицы в физике высоких энергий . Длина совпадает с лондоновской глубиной проникновения в теории сверхпроводимости . ^{[8] [9]} ${\displaystyle \lambda _{M}}$

Смотрите также

• Физический портал
• Научный портал

• Закрепление потока
• эффект Силсби
• Сверхтекучий

Ссылки

1. "Эффект Мейсснера | физика". Encyclopedia Britannica . Получено 22 апреля 2017 г. .
2. Мейснер, В.; Оксенфельд, Р. (1933). «Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit». Naturwissenschaften . 21 (44): 787–788. Бибкод : 1933NW.....21..787M. дои : 10.1007/BF01504252. S2CID  37842752.
3. Ландау, Л. Д.; Лифшиц, Э. М. (1984). Электродинамика сплошных сред . Курс теоретической физики . Т. 8 (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 0-7506-2634-8.
4. Callaway, DJE (1990). «О замечательной структуре сверхпроводящего промежуточного состояния». Nuclear Physics B. 344 ( 3): 627–645. Bibcode : 1990NuPhB.344..627C. doi : 10.1016/0550-3213(90)90672-Z.
5. Бардин, Дж.; Купер, Л. Н.; Шриффер, Дж. Р. (1957). «Теория сверхпроводимости». Physical Review . 106 (1175): 162–164. Bibcode :1957PhRv..106..162B. doi : 10.1103/physrev.106.162 .
6. Хирш, Дж. Э. (2012). «Происхождение эффекта Мейсснера в новых и старых сверхпроводниках». Physica Scripta . 85 (3): 035704. arXiv : 1201.0139 . Bibcode : 2012PhyS...85c5704H. doi : 10.1088/0031-8949/85/03/035704. S2CID  118418121.
7. Хиггс, П. В. (1966). «Спонтанное нарушение симметрии без безмассовых бозонов». Physical Review . 145 (4): 1156–1163. Bibcode : 1966PhRv..145.1156H. doi : 10.1103/PhysRev.145.1156 .
8. Wilczek, F. (2000). "Недавние волнения в области высокоплотной КХД". Nuclear Physics A. 663 : 257–271. arXiv : hep-ph/9908480 . Bibcode : 2000NuPhA.663..257W. doi : 10.1016/S0375-9474(99)00601-6. S2CID  119354272.
9. Вайнберг, С. (1986). «Сверхпроводимость для отдельных теоретиков». Progress of Theoretical Physics Supplement . 86 : 43–53. Bibcode :1986PThPS..86...43W. doi : 10.1143/PTPS.86.43 .

Дальнейшее чтение

• Эйнштейн, А. (1922). «Теоретическое замечание о сверхпроводимости металлов». arXiv : physics/0510251 .
• Лондон, Ф. У. (1960). "Макроскопическая теория сверхпроводимости". Сверхтекучие жидкости . Структура 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 Мейснера для сверхпроводящей сферы.
• Saslow, WM (2002). Электричество, магнетизм и свет . Академический. ISBN 978-0-12-619455-5.На стр. 486–489 дано простое математическое обсуждение поверхностных токов, ответственных за эффект Мейсснера, в случае длинного магнита, левитирующего над сверхпроводящей плоскостью.
• Тинкхэм, М. (2004). Введение в сверхпроводимость . Dover Books on Physics (2-е изд.). Dover. 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 (Гайевера)/Модель БКШ.
• Эффект Мейснера (Гиперфизика)
• Историческая справка об эффекте Мейснера