Meissner-effekten og dens bruk

Meissner-effekten eller Meissner-Oxenfeld-effekten består i forskyvning av et magnetfelt fra hoveddelen av superlederen under overgangen til den superledende tilstanden. Dette fenomenet ble oppdaget i 1933 av de tyske fysikerne Walter Meissner og Robert Oxenfeld, som målte fordelingen av magnetfeltet utenfor superledende prøver av tinn og bly.

Walter Meissner

I eksperimentet ble superlederne, i nærvær av et påført magnetfelt, avkjølt under deres superledende overgangstemperatur inntil nesten alle prøvenes indre magnetfelt ble tilbakestilt. Effekten ble oppdaget av forskere bare indirekte, fordi den magnetiske fluksen til superlederen er bevart: når magnetfeltet inne i prøven avtar, øker det eksterne magnetfeltet.

Dermed viste eksperimentet tydelig for første gang at superledere ikke bare er ideelle ledere, men også demonstrerer en unik definerende egenskap til den superledende tilstanden.Evnen til å forskyve magnetfeltet bestemmes av naturen til likevekten som dannes ved nøytralisering inne i enhetscellen til superlederen.

En superleder med lite eller ingen magnetfelt sies å være i Meissner-tilstanden. Men Meissner-tilstanden brytes ned når det påførte magnetfeltet er for sterkt.

Det er verdt å merke seg her at superledere kan deles inn i to klasser avhengig av hvordan dette bruddet oppstår I superledere av den første typen brytes superledning brått når styrken til det påførte magnetiske feltet blir høyere enn den kritiske verdien Hc .

Avhengig av geometrien til prøven, kan en mellomtilstand oppnås, lik det utsøkte mønsteret av områder av normalt materiale som bærer et magnetfelt blandet med områder av superledende materiale der det ikke er noe magnetfelt.

I superledere av type II fører økning av den påførte magnetiske feltstyrken til den første kritiske verdien Hc1 til en blandet tilstand (også kjent som en virveltilstand), der mer og mer magnetisk fluks trenger inn i materialet, men det er ingen motstand mot elektrisk strøm med mindre denne strømmen ikke er for høy.

Ved verdien av den andre kritiske styrken Hc2 blir den superledende tilstanden ødelagt. Den blandede tilstanden er forårsaket av virvler i en superfluid elektronvæske, som noen ganger kalles fluksoner (flukson-kvante av magnetisk fluks) fordi fluksen som bæres av disse virvlene er kvantisert.

De reneste elementære superlederne, med unntak av niob og karbon nanorør, er av den første typen, mens nesten alle urenheter og komplekse superledere er av den andre typen.

Fenomenologisk ble Meissner-effekten forklart av brødrene Fritz og Heinz London, som viste at den elektromagnetiske frie energien til en superleder er minimert under betingelsen:

Denne tilstanden kalles Londons ligning. Han spådde at magnetfeltet i en superleder avtar eksponentielt fra hvilken verdi det har på overflaten.

Hvis det påføres et svakt magnetfelt, forskyver superlederen nesten hele den magnetiske fluksen. Dette skyldes utseendet til elektriske strømmer nær overflaten. Det magnetiske feltet til overflatestrømmene nøytraliserer det påførte magnetiske feltet inne i volumet til superlederen. Siden forskyvningen eller undertrykkelsen av feltet ikke endres over tid, betyr dette at strømmene som skaper denne effekten (likestrømmer) ikke avtar over tid.

Nær overflaten av prøven, innenfor London-dypet, er magnetfeltet ikke helt fraværende. Hvert superledende materiale har sin egen magnetiske penetrasjonsdybde.

Enhver perfekt leder vil forhindre enhver endring i magnetisk fluks som passerer gjennom overflaten på grunn av normal elektromagnetisk induksjon ved null motstand. Men Meissner-effekten er forskjellig fra dette fenomenet.

Når en konvensjonell leder avkjøles til en superledende tilstand i nærvær av et permanent påført magnetfelt, blir magnetisk fluks kastet ut under denne overgangen. Denne effekten kan ikke forklares med uendelig ledningsevne.

Plassering og påfølgende levitasjon av en magnet på et allerede superledende materiale viser ikke Meissner-effekten, mens Meissner-effekten vises hvis den opprinnelig stasjonære magneten senere frastøtes av superlederen avkjølt til en kritisk temperatur.

I Meissner-staten viser superledere perfekt diamagnetisme eller superdiamagnetisme. Dette betyr at det totale magnetfeltet er veldig nær null dypt inne i dem, et stort stykke innover fra overflaten. Magnetisk følsomhet -1.

Diamagnetisme er definert ved generering av et materiales spontane magnetisering som er nøyaktig motsatt av retningen til et eksternt påført magnetfelt. Men den grunnleggende opprinnelsen til diamagnetisme i superledere og normale materialer er svært forskjellig.

I vanlige materialer oppstår diamagnetisme som et direkte resultat av elektromagnetisk indusert orbital rotasjon av elektroner rundt atomkjerner når et eksternt magnetfelt påføres. I superledere oppstår illusjonen av perfekt diamagnetisme på grunn av konstante skjermingsstrømmer som strømmer mot det påførte feltet (selve Meissner-effekten), ikke bare på grunn av orbitalspin.

Oppdagelsen av Meissner-effekten førte i 1935 til den fenomenologiske teorien om superledning av Fritz og Heinz London. Denne teorien forklarer forsvinningen av motstand og Meissner-effekten. Dette tillot oss å lage de første teoretiske spådommene om superledning.

Imidlertid forklarer denne teorien bare de eksperimentelle observasjonene, men tillater ikke identifisering av den makroskopiske opprinnelsen til de superledende egenskapene.Dette ble vellykket gjort senere, i 1957, av Bardeen-Cooper-Schriefer-teorien, hvorfra både penetrasjonsdybden og Meissner-effekten følger. Noen fysikere hevder imidlertid at Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorien ikke forklarer Meissner-effekten.

Meissner-effekten brukes i henhold til følgende prinsipp. Når temperaturen til et superledende materiale går gjennom en kritisk verdi, endres magnetfeltet rundt det brått, noe som resulterer i generering av en EMF-puls i spolen viklet rundt slikt materiale. Og når strømmen til kontrollspolen endres, kan den magnetiske tilstanden til materialet kontrolleres. Dette fenomenet brukes til å måle ultrasvake magnetiske felt ved hjelp av spesielle sensorer.

En kryotron er en bytteenhet basert på Meissner-effekten. Strukturelt består den av to superledere. En niobspole er viklet rundt en tantalstang som en kontrollstrøm flyter gjennom.

Når styrestrømmen øker, øker styrken på magnetfeltet og tantalet går fra superledende tilstand til ordinær tilstand.I dette tilfellet endres konduktiviteten til tantaltråden og driftsstrømmen i styrekretsen i en ikke-lineær tilstand. måte. På grunnlag av kryotroner opprettes for eksempel kontrollerte ventiler.