Эффект Мейснера

Эффект Мейснера — это фундаментальное явление сверхпроводимости, открытое Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году. Оно заключается в полном изгнании магнитного поля из объема сверхпроводящего тела при его переходе в сверхпроводящее состояние. Этот эффект является отличительным признаком идеальной сверхпроводимости и указывает на качественное отличие сверхпроводников от обычных идеальных проводников.

Микроскопическое объяснение

С точки зрения квантовой механики, эффект Мейснера возникает благодаря формированию когерентного состояния электронов — куперовских пар. Эти пары ведут себя как бозоны с нулевым спином и конденсируются в единое квантовое состояние, которое можно описать макроскопической волновой функцией Ψ(r) = |Ψ(r)|eiθ(r).

Ключевой момент: макроскопическая волновая функция приводит к появлению сверхтока, который индуцирует магнитное поле, точно компенсирующее внешнее поле внутри сверхпроводника. Таким образом, магнитное поле внутри тела стремится к нулю.

Теоретическое описание

Уравнения Лондона дают простое макроскопическое объяснение эффекта Мейснера. Они связывают ток сверхпроводника js с магнитным полем B:

$$ \mathbf{\nabla} \times \mathbf{j_s} = -\frac{n_s e^2}{m} \mathbf{B} $$

$$ \mathbf{j_s} = -\frac{n_s e^2}{m} \mathbf{A} $$

где ns — концентрация сверхпроводящих электронов, e — заряд электрона, m — масса электрона, A — векторный потенциал магнитного поля.

Решение этих уравнений показывает, что магнитное поле экспоненциально затухает в глубину сверхпроводника, что характеризуется длиной Лондона λL:

B(x) = B0e−x/λL

где x — расстояние от поверхности, а λL типично находится в диапазоне 10–100 нм для различных сверхпроводников.

Типы сверхпроводников и особенности эффекта Мейснера

Сверхпроводники делятся на два типа по поведению в магнитном поле:

  1. Сверхпроводники I типа:

    • Полное изгнание магнитного поля до критического значения Hc.
    • При H > Hc сверхпроводимость разрушается, и материал переходит в нормальное состояние.
    • Пример: ртуть, свинец.

  2. Сверхпроводники II типа:

    • Имеют два критических поля: Hc1 и Hc2.
    • В области Hc1 < H < Hc2 возникает вихревое состояние, где магнитное поле проникает в виде квантованных вихрей Фейнмана–Штейнера.
    • Пример: ниобий, высокотемпературные керамические сверхпроводники.

Экспериментальные методы наблюдения

Эффект Мейснера можно наблюдать различными способами:

  • Весовое измерение: сверхпроводник подвешивается над магнитом и испытывает левитацию.
  • Магнитометрия: SQUID позволяет измерять полное исключение магнитного потока.
  • Оптические методы: визуализация вихрей через флуоресцентные индикаторы или молекулы-магнитные датчики.

Ключевые физические последствия

  • Идеальная диамагнетизм: сверхпроводник полностью компенсирует внешнее магнитное поле.
  • Квантование магнитного потока: в вихревом состоянии поток через каждую ячейку равен целому числу квантов Φ0 = h/2e.
  • Левитация и магнитная стабильность: эффект Мейснера лежит в основе магнитной левитации и безконтактного подвеса сверхпроводящих объектов.

Сравнение с обычной проводимостью

В обычном проводнике при прохождении тока создается магнитное поле, которое пропускается внутрь материала. В сверхпроводнике:

  • Магнитное поле не проникает в объем (эффект Мейснера).
  • Токи устойчивы без сопротивления, поддерживая поле на поверхности.
  • Превращение материала в сверхпроводящее состояние является фазовым переходом второго рода для I типа и сложным смешанным состоянием для II типа.
Оглавление