Ефектът на Мейснер: как свръхпроводниците изтласкват магнитните полета
Ефектът на Мейснер се проявява, когато магнитното поле се изтласква от свръхпроводника в момента, в който той премине в свръхпроводящо състояние. Ако поставите свръхпроводник в полето на голям магнит и погледнете само вътре в свръхпроводника, ще видите, че магнитното поле е много по-малко, отколкото е навън. Колкото по-навътре гледате, толкова по-близо до нулата става полето — вътре в идеалния свръхпроводник магнитното поле е изключително отсъстващо. Това е ключов признак, който отличава свръхпроводниците от идеалните (съвършени) проводници: последните само не провеждат електрично съпротивление, но не изтласкват задължително магнитни полета при охлаждане; свръхпроводникът активнo предотвратява проникването на магнитния поток.
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.
Ефектът на Майснер се демонстрира чрез левитиране на магнит над свръхпроводник на основата на купрат (мед), който се охлажда с течен азот.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява ефектът на Майснер?
О: Това е, когато магнитното поле се изтласква от свръхпроводник, когато той стане свръхпроводим.
В: Какво се случва с магнитното поле, когато свръхпроводник се постави в голям магнит?
О: Магнитното поле е много по-малко, отколкото е било навън, и колкото по-надълбоко се вглеждате, толкова по-близо е до нулата.
В: По какво свръхпроводниците се различават от съвършените проводници по отношение на магнитните полета?
О: Свръхпроводниците не пропускат магнитни полета през себе си за разлика от съвършените проводници.
В: Кой открива ефекта на Майснер?
О: Уолтър Майснер и Робърт Оксенфелд откриват ефекта през 1933 г.
В: Как ефектът на Майснер кара магнит да левитира над свръхпроводяща плоча, охладена с течен азот?
О: Свръхпроводникът действа като магнит, насочен в противоположна посока, за да спре магнитното поле да влезе в свръхпроводника. Това отблъсква истинския магнит и му пречи да се приближи.
Въпрос: Защо магнитното поле извън свръхпроводника става по-силно?
О: Магнитното поле не може да премине през свръхпроводника, така че то става по-силно точно извън свръхпроводника.
В: Кой е примерът за ефекта на Майснер?
О: Един пример за ефекта на Майснер е магнит, който левитира над свръхпроводяща плоча, охладена с течен азот.
