Эффект Мейснера - Meissner effect

Схема эффекта Мейснера. Силовые линии магнитного поля, обозначенные стрелками, исключаются из сверхпроводника, когда он ниже его критической температуры.

В Эффект Мейснера (или Эффект Мейснера – Оксенфельда) - это изгнание магнитное поле из сверхпроводник при переходе в сверхпроводящее состояние при охлаждении ниже критической температуры. Немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд[1] открыл это явление в 1933 году, измерив распределение магнитного поля вне сверхпроводящих образцов олова и свинца.[2] Образцы в присутствии приложенного магнитного поля охлаждались ниже их температура 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 сверхпроводники первого типа, сверхпроводимость внезапно разрушается, когда напряженность приложенного поля превышает критическое значение ЧАСc. В зависимости от геометрии образца можно получить промежуточное состояние[3] состоящий из барочный узор[4] областей нормального материала, несущего магнитное поле, смешанного с областями сверхпроводящего материала, не содержащего поля.

В сверхпроводники второго типа, повышая значение приложенного поля выше критического значения ЧАСc1 приводит к смешанному состоянию (также известному как состояние вихря), в котором увеличивается количество магнитный поток проникает в материал, но не остается сопротивления электрический ток пока ток не слишком велик. При второй критической напряженности поля ЧАСc2, сверхпроводимость разрушена. Смешанное состояние вызывается вихрями в электронной сверхтекучей жидкости, которые иногда называют флюксоны потому что поток, переносимый этими вихрями, равен квантованный. Самый чистый элементаль сверхпроводники, кроме ниобий и углеродные нанотрубки, относятся к типу I, в то время как почти все нечистые и сложные сверхпроводники относятся к типу II.

Объяснение

Братья дали феноменологическое объяснение эффекту Мейснера. Фриц и Хайнц Лондон, который показал, что электромагнитный свободная энергия в сверхпроводнике сводится к минимуму при условии

где ЧАС - магнитное поле, а λ - Лондонская глубина проникновения.

Это уравнение, известное как Уравнение Лондона, предсказывает, что магнитное поле в сверхпроводнике распадается экспоненциально от той ценности, которой он обладает на поверхности. Это исключение магнитного поля является проявлением супердиамагнетизм возникают 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 все магнитный поток создавая электрические токи около его поверхности, так как магнитное поле ЧАС побуждает намагничивание M в пределах лондонской глубины проникновения с поверхности. Эти поверхностные токи щиты внутренний объем сверхпроводника от внешнего приложенного поля. Поскольку изгнание или отмена поля не меняется со временем, токи, вызывающие этот эффект (называемые постоянные токи или экранирующие токи) не затухают со временем.

У поверхности, внутри Лондонская глубина проникновения, магнитное поле полностью не отменяется. Каждый сверхпроводящий материал имеет свою характерную глубину проникновения.

Любой идеальный проводник предотвратит любое изменение магнитного потока, проходящего через его поверхность из-за обычных электромагнитная индукция 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

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. Диамагнетизм определяются 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 спина электронов вокруг ядер атома, индуцированного электромагнитно под действием 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

Открытие эффекта Мейснера привело к феноменологический теория сверхпроводимости Фриц и Хайнц Лондон в 1935 г. 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 Теория BCS в 1957 г., из чего вытекает 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 около 8 Миллитесла (80 г ).

  • Т = 4,2 К, B = 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

Эффект сверхпроводимости Мейсснера служит важной парадигмой механизма генерации массы M (т.е. обратный ассортимент, где час это Постоянная Планка и c это скорость света ) для калибровочное поле. Фактически, эта аналогия абелевский пример для Механизм Хиггса,[7] который порождает массы электрослабый
W±
 и
Z
 измерить частицы в физика высоких энергий. Длина идентичен Лондонская глубина проникновения в теории сверхпроводимость.[8][9]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Эффект Мейснера | физика». Энциклопедия Британника. Получено 22 апреля 2017.
  2. ^ Meissner, W .; Оксенфельд, Р. (1933). "Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit". Naturwissenschaften. 21 (44): 787–788. Bibcode:1933NW ..... 21..787M. Дои:10.1007 / BF01504252.
  3. ^ Ландау, Л. Д .; Лифшиц, Э. М. (1984). Электродинамика сплошных сред.. Курс теоретической физики. 8 (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  0-7506-2634-8.
  4. ^ Каллавей, Д. Дж. Э. (1990). «О замечательной структуре сверхпроводящего промежуточного состояния». Ядерная физика B. 344 (3): 627–645. Bibcode:1990НуФБ.344..627С. Дои:10.1016 / 0550-3213 (90) 90672-Z.
  5. ^ Bardeen, J .; Купер, Л. Н .; Шриффер, Дж. Р. (1957). «Теория сверхпроводимости». Физический обзор. 106 (1175): 162–164. Bibcode:1957ПхРв..106..162Б. Дои:10.1103 / Physrev.106.162.
  6. ^ Хирш, Дж. Э. (2012). «Происхождение эффекта Мейснера в новых и старых сверхпроводниках». Physica Scripta. 85 (3): 035704. arXiv:1201.0139. Bibcode:2012ФИЗЫ ... 85c5704H. Дои:10.1088/0031-8949/85/03/035704.
  7. ^ Хиггс, П. У. (1966). «Спонтанное нарушение симметрии без безмассовых бозонов». Физический обзор. 145 (4): 1156. Bibcode:1966ПхРв..145.1156Г. Дои:10.1103 / PhysRev.145.1156.
  8. ^ Вильчек, Ф. (2000). «Недавний ажиотаж в области КХД высокой плотности». Ядерная физика A. 663: 257–271. arXiv:hep-ph / 9908480. Bibcode:2000НуФА.663..257Вт. Дои: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 ... 43Вт. Дои:10.1143 / PTPS.86.43.

дальнейшее чтение

  • Эйнштейн, А. (1922). «Теоретическое замечание о сверхпроводимости металлов». arXiv:физика / 0510251.
  • Лондон, Ф. В. (1960). «Макроскопическая теория сверхпроводимости». Сверхтекучие жидкости. Структура материального ряда. 1 (Пересмотрено 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, В. М. (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