Ефектът на Мейснер: как свръхпроводниците изтласкват магнитните полета

Как се получава ефектът

При прехода към свръхпроводящо състояние в повърхностния слой на материала се индуцират устойчиви повърхностни токове (свръхтокове). Тези токове създават магнитно поле, което е противоположно на външното поле, и по този начин го неутрализира вътре в материала. Математически това поведение се описва от уравненията на Лондон: магнитното поле вглъбено в свръхпроводника намалява експоненциално със спадането на разстоянието от повърхността, B(x) = B0 e^{-x/λ}, където λ е т.нар. дебелина на проникване (penetration depth). За обичайните свръхпроводници λ е от десетки до стотици нанометри, а при някои високо темпeратурни материали може да достигне и няколко стотин нанометра.

Защо това е различно от просто „перфектен проводник“

Ако един метал беше само идеален проводник (със съпротивление нула), той щеше да запази магнитния поток, който е имал преди охлаждането — полетата биха били „заключени“ вътре. При свръхпроводника, обаче, новата състояние принуждава изпомпване на повърхностни токове, които изтласкват магнитните линии навън. Тази активна експулсия на магнитния поток е именно ефектът на Мейснер и е фундаментален за дефиницията на супеpпроводимостта.

Типове свръхпроводници и „смесено“ състояние

Съществуват два основни класа свръхпроводници:

• Тип I — при тези материали ефектът на Мейснер е почти пълен до критичното поле Hc, при което свръхпроводящото състояние внезапно се прекратява и материалът става нормален.
• Тип II — при по-реалистичните технични материали има две критични полета, Hc1 и Hc2. При полета между Hc1 и Hc2 възниква т.нар. смесено (вихрово или Абрикосовско) състояние: магнитните потоци проникват в материала под формата на дискретни вихри (вихрови линии), около които циркулират свръхтокове. Тези вихри могат да бъдат „заключени“ в несъвършенствата на материала (флукс-пининг), което прави левитацията по-стабилна.

Примери и приложения

Най-познатата и зрелищна демонстрация е левитацията на магнит над охладена свръхпроводяща плоча — например керамичен свръхпроводник YBCO охладен с течен азот. За да попречи магнитното поле да навлезе, свръхпроводникът генерира противоположно поле и отблъсква магнита. Ако флуксът е „заключен“ в материали с флукс-пининг, левитацията може да бъде металически стабилна и магнитът да остане в определена позиция дори под наклон.

Практически приложения: мощни свръхпроводящи магнити (MRI апарати, ускорители на частици), маглев влакове, стабилни магнитни лагери, свръхпроводящи кабели и електронни елементи (кубитите в квантовите компютри често използват свръхпроводящи схеми). Високотемпературните свръхпроводници, които работят при температура на течен азот (~77 K), позволиха по-евтино и по-приложимо използване на тези ефекти в технологията.

История и значение

Ефектът е открит от Валтер Мейснер и Робърт Оксенфелд през 1933 г., когато забелязали, че магнитното поле е изгонено при прехода в свръхпроводящо състояние, а полето току отвън може да стане по-силно заради тази експулсия. Откритието е ключово за разбирането на свръхпроводимостта и довежда до по-нататъшното развитие на теории като уравненията на Лондон и по-късно теорията BCS.

Практически бележки

• Ефектът е най-изразен при температури под критичната Tc на материала и при полета под критичните стойности за дадения тип свръхпроводник.
• За демонстрации често се използват керемидоподобни високо-температурни свръхпроводници и течен азот; за най-ниски температури и най-мощни магнитни полета се използва течен хелий.
• Флукс-пинингът превръща динамичната репулсия в стабилна, практична левитация — това е причината демонстрациите да изглеждат „магически“, но да са приложими в реални устройства.

Ефектът на Мейснер е не само любопитно физично явление, но и практическа основа за множество технологии, които използват уникалните магнитни свойства на свръхпроводниците.