Эффект Мейснера - это явление, при котором сверхпроводник полностью вытесняет магнитное поле из своего объема при понижении температуры ниже критической. Этот эффект был открыт в 1911 году немецкими физиками Вальтером Мейснером и Робертом Охенфельсом, которые измерили магнитную индукцию в свинцовом цилиндре при охлаждении его жидким гелием.
Эффект Мейснера имеет важное значение для понимания физической природы сверхпроводимости, а также для разработки различных приложений, основанных на сверхпроводниках. Например, с помощью эффекта Мейснера можно создавать мощные электромагниты, левитирующие поезда, квантовые компьютеры и другие устройства.
Сверхпроводники - это материалы, которые при определенной температуре обладают нулевым сопротивлением электрическому току. Это означает, что они могут проводить ток без потерь энергии, что открывает огромные возможности для различных областей науки и техники.
В этой статье мы расскажем подробнее о том, как работает эффект Мейснера, какие существуют типы сверхпроводников и какие перспективы открываются для их использования в будущем.
Вальтер Мейснер
Открытие эффекта Мейснера
Эффект Мейснера или эффект Мейснера-Оксенфельда заключается в вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Данное явление в 1933 году обнаружили немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд, измерившие распределение магнитного поля за пределами сверхпроводящих образцов олова и свинца.
В эксперименте сверхпроводники, в присутствии приложенного магнитного поля, охлаждали ниже температуры их сверхпроводящего перехода, при этом почти все внутреннее магнитное поле образцов обнулялось. Эффект был обнаружен учеными лишь косвенно, так как магнитный поток сверхпроводника сохранялся: когда магнитное поле внутри образца уменьшалось, внешнее магнитное поле увеличивалось.
Таким образом эксперимент впервые четко показал, что сверхпроводники были не просто идеальными проводниками, но и демонстрировали уникальное определяющее свойство сверхпроводящего состояния. Способность к эффекту вытеснения магнитного поля определяется природой равновесия, образованного нейтрализацией внутри элементарной ячейки сверхпроводника.
Сверхпроводимость и магнитное поле
Считается, что сверхпроводник со слабым магнитным полем или вообще без магнитного поля пребывает в состоянии Мейснера. Но состояние Мейснера нарушается, когда приложенное магнитное поле оказывается слишком велико.
Здесь стоит отметить, что сверхпроводники можно разделить на два класса в зависимости от того, как происходит это нарушение. В сверхпроводниках первого рода сверхпроводимость резко нарушается когда напряженность приложенного магнитного поля становятся выше критического значения Hc.
В зависимости от геометрии образца можно получить промежуточное состояние, подобное изысканному рисунку областей нормального материала, несущего магнитное поле, смешанных с областями сверхпроводящего материала, где магнитное поле отсутствует.
В сверхпроводниках второго рода повышение напряженности приложенного магнитного поля до первого критического значения Hc1 приводит к смешанному состоянию (также известному как вихревое состояние), в котором все большее количество магнитного потока проникает в материал, но сопротивления электрическому току, если этот ток не слишком велик, не остается.
При величине второй критической напряженности Hc2 сверхпроводящее состояние разрушается. Смешанное состояние вызывается вихрями в сверхтекучей электронной жидкости, которые иногда называют флюксонами (флюксон-квант магнитного потока), поскольку поток переносимый этими вихрями квантуется.
Классификация сверхпроводников
Сверхпроводники делятся на два основных класса: обычные и необычные.
Обычные сверхпроводники - это те, которые становятся сверхпроводящими при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273 градуса Цельсия). Они состоят из простых металлов, таких как ртуть, свинец, алюминий и других.
Механизм сверхпроводимости в этих материалах хорошо изучен и объясняется теорией БКШ (Бардин-Купер-Шриффер), согласно которой электроны в сверхпроводнике образуют пары, называемые куперовскими парами, которые движутся без столкновений с атомами решетки.
Необычные сверхпроводники - это те, которые становятся сверхпроводящими при относительно высоких температурах, до 138 градусов по Цельсию. Они состоят из сложных соединений, таких как оксиды меди, железа и других элементов. Механизм сверхпроводимости в этих материалах пока не полностью понятен и является предметом активных исследований.
Считается, что куперовские пары в них образуются не только за счет электрон-фононного взаимодействия, как в обычных сверхпроводниках, но и за счет других эффектов, таких как спин-спиновое или заряд-зарядное взаимодействие.
Самые чистые элементарные сверхпроводники, кроме ниобия и углеродистых нанотрубок, являются сверхпроводниками первого типа, в то время как почти все примесные и сложные сверхпроводники — относятся ко второму типу сверхпроводников.
Объяснение эффекта Мейснера
Феноменологически эффект Мейснера был объяснен братьями Фрицем и Хайнцем Лондонами, которые показали, что свободная электромагнитная энергия сверхпроводника минимизируется при условии:
Данное условие называется уравнением Лондонов. Оно предсказывает, что магнитное поле в сверхпроводнике экспоненциально затухает от любого значения, которым оно обладает на поверхности.
Если приложено слабое магнитное поле, то сверхпроводник вытесняет почти весь магнитный поток. Это происходит из-за возникновения электрических токов вблизи его поверхности. Магнитное поле поверхностных токов нейтрализует приложенное магнитное поле внутри объема сверхпроводника. Поскольку вытеснение или подавление поля не изменяется со временем, значит токи создающие данный эффект (постоянные токи), со временем не затухают.
У поверхности образца в пределах лондоновской глубины, магнитное поле не полностью отсутствует. Каждый сверхпроводящий материал имеет собственную глубину проникновения магнитного поля.
Любой совершенный проводник предотвратит всякое изменение магнитного потока, проходящего через его поверхность из-за обычной электромагнитной индукции при нулевом сопротивлении. Но эффект Мейснера отличается от данного явления.
Когда обычный проводник охлаждается таким образом, что переходит в сверхпроводящее состояние при наличии постоянно приложенного магнитного поля, магнитный поток вытесняется во время этого перехода. Данный эффект нельзя объяснить бесконечной проводимостью.
Размещение и последующая левитация магнита над уже сверхпроводящим материалом не демонстрирует эффекта Мейснера, в то время как эффект Мейснера демонстрируется если первоначально неподвижный магнит позже отталкивается от сверхпроводника охлаждаемого до критической температуры.
В состоянии Мейснера сверхпроводники демонстрируют совершенный диамагнетизм или супердиамагнетизм. Это означает, что полное магнитное поле очень близко к нулю глубоко внутри них, на большом расстоянии внутри от поверхности. Магнитная восприимчивость -1.
Диамагнетизм определяется генерацией спонтанной намагниченности материала, которая прямо противоположна направлению приложенного снаружи магнитного поля. Но фундаментальное происхождение диамагнетизма в сверхпроводниках и нормальных материалах сильно различается.
В обычных материалах диамагнетизм возникает как прямой результат орбитального вращения электронов вокруг ядер атома, индуцированного электромагнитного при приложении внешнего магнитного поля. В сверхпроводниках же иллюзия совершенного диамагнетизма возникает из-за постоянных экранирующих токов, которые протекают в противоположность приложенному полю (собственно эффект Мейснера), а не только за счет орбитального вращения.
Открытие эффекта Мейснера привело в 1935 году к феноменологической теории сверхпроводимости Фрица и Хайнца Лондонов. Эта теория объяснила исчезновение сопротивления и эффект Мейснера. Она позволила сделать первые теоретические предсказания касательно сверхпроводимости.
Однако эта теория лишь объяснила экспериментальные наблюдения, но она не позволила идентифицировать макроскопическое происхождение сверхпроводящих свойств. Это было успешно сделано позже, в 1957 году, теорией Бардина-Купера-Шриффера, из которой вытекает и глубина проникновения и эффект Мейснера. Тем не менее, некоторые физики утверждают, что теория Бардина-Купера-Шриффера не объясняет эффекта Мейснера.
Применение эффекта Мейснера
Сверхпроводники имеют множество потенциальных применений в будущем. Одно из них - это создание магнитных систем высокой энергии, таких как ускорители частиц, ядерные реакторы на основе термоядерного синтеза, магнитные левитационные поезда и другие.
Сверхпроводящие магниты могут создавать очень сильные магнитные поля без потребления электричества и без нагревания.
Другое применение - это передача электричества на большие расстояния без потерь. Сверхпроводящие кабели могут переносить большие токи при малом диаметре и без необходимости охлаждения.
Третье применение - это развитие квантовой информатики и квантовой связи на основе сверхпроводящих квантовых битов (кубитов), которые могут хранить и обрабатывать информацию на квантовом уровне.
Напимер, практическое применение эффекта Мейснера может реализовываться по следующему принципу. При переходе температуры сверхпроводящего материала через критическое значение, магнитное поле вокруг него резко изменяется, что приводит к генерации импульса ЭДС в катушке, намотанной вокруг такого материала. А при изменении тока управляющей обмотки можно управлять магнитным состоянием материала. Данное явление используют с целью измерений сверхслабых магнитных полей при помощи специальных датчиков.
Криотрон - переключающее устройство на базе эффекта Мейснера. Конструктивно он состоит из двух сверхпроводников. Вокруг танталового стержня намотана катушка из ниобия, по которой протекает управляющий ток.
При увеличении управляющего тока возрастает напряженность магнитного поля, и тантал переходит из состояния сверхпроводимости в обычное состояние. При этом нелинейным образом изменяется проводимость танталового проводника и рабочий ток в контрольной цепи. На основе криотронов создают, например, управляемые вентили.
Сверхпроводники - это удивительные материалы, которые могут изменить многие области науки и техники. Однако, для того, чтобы реализовать их полный потенциал, необходимо решить ряд проблем, таких как повышение критической температуры сверхпроводимости, увеличение критического тока и магнитного поля, снижение стоимости и сложности производства и другие. Надеемся, что в будущем эти проблемы будут преодолены и сверхпроводники станут доступными и широко распространенными.
Андрей Повный