Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема эффекта Мейснера. Силовые линии магнитного поля, обозначенные стрелками, исключаются из сверхпроводника, когда он ниже его критической температуры.

Эффект Мейснера (или эффект Мейснера – Оксенфельда ) - это вытеснение магнитного поля из сверхпроводника во время его перехода в сверхпроводящее состояние, когда он охлаждается ниже критической температуры. Немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд [1] обнаружили это явление в 1933 году, измерив распределение магнитного поля вне сверхпроводящих образцов олова и свинца. [2] Образцы в присутствии приложенного магнитного поля охлаждались ниже температуры их сверхпроводящего перехода., после чего образцы гасили почти все внутренние магнитные поля. Они обнаружили этот эффект только косвенно, потому что магнитный поток сохраняется сверхпроводником: когда внутреннее поле уменьшается, внешнее поле увеличивается. Эксперимент впервые продемонстрировал, что сверхпроводники - это больше, чем просто идеальные проводники, и предоставил однозначно определяющее свойство состояния сверхпроводника. Способность к эффекту изгнания определяется природой равновесия, образованного нейтрализацией в элементарной ячейке сверхпроводника.

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

В сверхпроводниках типа I 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 содержащего поля.

В сверхпроводниках второго типа увеличение приложенного поля выше критического значения H c 1 приводит к смешанному состоянию (также известному как состояние вихря), в котором увеличивающееся количество магнитного потока проникает в материал, но не остается сопротивления электрическому ток, пока ток не слишком велик. При второй критической напряженности поля H c 2 сверхпроводимость разрушается. Смешанное состояние вызывается вихрями в электронной сверхтекучей жидкости, иногда называемыми флюксонами, поскольку поток, переносимый этими вихрями, квантован . Наиболее чистые элементарные сверхпроводники, кромениобиевые и углеродные нанотрубки относятся к типу I, тогда как почти все нечистые и сложные сверхпроводники относятся к типу II.

Объяснение [ править ]

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

где H - магнитное поле, λ - лондонская глубина проникновения .

Это уравнение, известное как уравнение Лондона , предсказывает, что магнитное поле в сверхпроводнике экспоненциально затухает от любого значения, которое оно имеет на поверхности. Это 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, которое разрушает сверхпроводящую фазу) сверхпроводник вытесняет почти весь магнитный поток , создавая электрические токи у своей поверхности, поскольку магнитное поле H индуцирует намагниченность M в пределах лондонской глубины проникновения из поверхность. Эти поверхностные токи экранируют внутреннюю часть сверхпроводника от внешнего приложенного поля. Поскольку изгнание или аннулирование поля не меняется 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 полностью не подавляется. 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 совершает переход 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 эффекта Мейснера, в то время как первоначально неподвижный магнит позже отталкивается сверхпроводником, когда он охлаждается ниже своей критической температуры.

Постоянные токи, которые существуют в сверхпроводнике, чтобы вытеснить магнитное поле, обычно неверно воспринимаются в результате закона Ленца или закона Фарадея. Причина, по которой это не так, заключается в том, что не было сделано никаких изменений в потоке, чтобы вызвать ток. Другое объяснение состоит в том, что, поскольку сверхпроводник испытывает нулевое сопротивление, в сверхпроводнике не может быть индуцированной ЭДС. Следовательно, постоянный ток не является результатом закона Фарадея.

Идеальный диамагнетизм [ править ]

Сверхпроводники в состоянии Мейснера демонстрируют 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 магнитная восприимчивость , = -1. Диамагнетизмопределяются возникновением спонтанного намагничивания материала, которое прямо противоположно направлению приложенного поля. Однако фундаментальные истоки диамагнетизма в сверхпроводниках и обычных материалах очень разные. В обычных материалах диамагнетизм возникает как прямой результат орбитального вращения электронов вокруг ядер атома, индуцированного электромагнитным путем приложением приложенного поля. В сверхпроводниках иллюзия идеального диамагнетизма возникает из-за постоянных экранирующих токов, которые текут, чтобы противостоять приложенному полю (эффект Мейснера); не только орбитальное вращение.

Последствия [ править ]

Открытие эффекта Мейснера привело к созданию феноменологической теории сверхпроводимости Фрицем и Хайнцем Лондоном в 1935 году. Эта теория объяснила перенос без сопротивления и эффект Мейснера и позволила сделать первые теоретические предсказания сверхпроводимости. Однако эта теория объясняла только экспериментальные наблюдения - она ​​не позволяла установить микроскопическое происхождение сверхпроводящих свойств. Это было успешно сделано с помощью теории BCS в 1957 г., из которой вытекают глубина проникновения и эффект Мейснера. [5] Однако некоторые физики утверждают, что теория БКШ не объясняет эффект Мейснера. [6]

  • Оловянный цилиндр в сосуде Дьюара, наполненном жидким гелием, помещен между полюсами электромагнита. Магнитное поле составляет около 8 миллитесла (80 Гс ).

  • Т = 4,2 К, В = 8 мТл (80 Гс). Олово находится в нормально проводящем состоянии. Стрелки компаса показывают, что магнитный поток пронизывает цилиндр.

  • Цилиндр был охлажден 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 [ править ]

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 . В самом деле, эта аналогия является абелевым примером для механизма Хиггса , [7] , который генерирует массы в электрослабом W± и Zкалибровочные частицы в физике высоких энергий . Длина идентична лондонской глубине проникновения в теории сверхпроводимости . [8] [9]

См. Также [ править ]

  • Сверхтекучая
  • Сверхпроводник типа I
  • Сверхпроводник II типа
  • Пиннинг флюса

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Эффект Мейснера | физика" . Британская энциклопедия . Проверено 22 апреля 2017 года .
  2. ^ Meissner, W .; Оксенфельд, Р. (1933). "Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit". Naturwissenschaften . 21 (44): 787–788. Bibcode : 1933NW ..... 21..787M . DOI : 10.1007 / BF01504252 .
  3. ^ Ландау, LD; Лифшиц Е.М. (1984). Электродинамика сплошных сред . Курс теоретической физики . 8 (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 0-7506-2634-8.
  4. ^ Callaway, DJE (1990). «О замечательной структуре сверхпроводящего промежуточного состояния». Ядерная физика Б . 344 (3): 627–645. Bibcode : 1990NuPhB.344..627C . DOI : 10.1016 / 0550-3213 (90) 90672-Z .
  5. ^ Bardeen, J .; Купер, LN; Шриффер, младший (1957). «Теория сверхпроводимости» . Физический обзор . 106 (1175): 162–164. Полномочный код : 1957PhRv..106..162B . DOI : 10.1103 / Physrev.106.162 .
  6. Перейти ↑ Hirsch, JE (2012). «Происхождение эффекта Мейснера в новых и старых сверхпроводниках». Physica Scripta . 85 (3): 035704. arXiv : 1201.0139 . Bibcode : 2012PhyS ... 85c5704H . DOI : 10.1088 / 0031-8949 / 85/03/035704 .
  7. ^ Хиггс, PW (1966). «Спонтанное нарушение симметрии без безмассовых бозонов» . Физический обзор . 145 (4): 1156. Bibcode : 1966PhRv..145.1156H . DOI : 10.1103 / PhysRev.145.1156 .
  8. Перейти ↑ Wilczek, F. (2000). «Недавний ажиотаж в области КХД высокой плотности». Ядерная физика . 663 : 257–271. arXiv : hep-ph / 9908480 . Bibcode : 2000NuPhA.663..257W . DOI : 10.1016 / S0375-9474 (99) 00601-6 .
  9. ^ Вайнберг, С. (1986). «Сверхпроводимость или частные теоретики» . Приложение "Прогресс теоретической физики" . 86 : 43–53. Bibcode : 1986PThPS..86 ... 43W . DOI : 10.1143 / PTPS.86.43 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Эйнштейн, А. (1922). «Теоретическое замечание о сверхпроводимости металлов». arXiv : физика / 0510251 .
  • Лондон, FW (1960). «Макроскопическая теория сверхпроводимости». Сверхтекучие жидкости . Структура материального ряда. 1 (переработанное 2-е изд.). Дувр . ISBN 978-0-486-60044-4.Автор объяснения эффекта Мейснера. стр. 34–37 дает техническое обсуждение эффекта Мейснера 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 Мейснера, в случае длинного магнита, левитирующего 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 [ править ]

  • В слайд-шоу « Поезда на маглеве» из Национальной лаборатории сильного магнитного поля обсуждается магнитная левитация, эффект Мейснера, захват магнитного потока и сверхпроводимость.
  • Эффект Мейснера (Наука с нуля) Короткое видео из Имперского колледжа Лондона об эффекте Мейснера и парящих поездах будущего.
  • Введение в сверхпроводимость Видео о сверхпроводниках типа 1: R = 0 / Температуры перехода / B - переменная состояния / эффект Мейснера / Энергетическая щель (Джавер) / модель BCS.
  • Эффект Мейснера (Гиперфизика)
  • Историческая справка об эффекте Мейснера