Efekt Meissnerowskiego w supekonduktorach: Dlaczego kulka zamarznie na powietrzu

Zero resistance nie jest całą historią

Zimne określone materiały poniżej charakterystycznego temperatury krytycznej spadają ich opór elektryczny, nagle i całkowicie do zera — prąd rozpoczęty w pętlach supekonduktorowych będzie krążył przez tak długo, jak tylko można się domyślić, bez wykrywalnego zmniejszenia. To już samodzielnie byłby fascynujący przewodnik, ale w 1933 roku Walther Meissner i Robert Ochsenfeld odkryli coś dziwniejszego: supekonduktor nie tylko odmawia wpuszczania nowego pola magnetycznego, lecz aktywnie odrzuca istniejące pole magnetyczne, gdy przekracza temperaturę krytyczną, niezależnie od tego, czy to pole było już obecne przed zimnieniem. Ta aktywna wycofanie, efekt Meissnerowski, nie może być wyjaśniona jedynie oporem równe zero i jest naprawdę charakterystyczną cechą prawdziwego supekonduktoryzmu.

Paary Coopera: elektrony przestają się repelować

Wyjaśnienie mikroskopowe, opracowane przez Bardeena, Coopera i Schrieffera w 1957 roku (teoria BCS), zaczyna od nieprawdopodobnej myśli: poniżej temperatury krytycznej, elektrony w materiale mogą tworzyć losowo powiązane pary, nazywane paarami Coopera, mimo repulsji elektrycznej między sobą. Powiązanie jest medytowane przez same siatkę kristalową — jeden elektron lekko deforma siatkę podczas przepływu, chwilowo przyciągając bliższe iony pozytywne bliżej siebie, a drugi elektron jest atrakcyjny dla tego przełomowego obszaru dodatkowej ładunku pozytywnego przed powrotem siatki do stanu spoczynku. Wynik to słaba, medytowana falą dźwiękową przyciągłość, która może nadpisze bezpośrednią repulsję Coulomba na wystarczająco niskiej temperaturze.

Dzięki temu, że para Coopera ma całkowitą spin liczbę całkowitą, zachowuje się jako boson zamiast fermion, i wielkościakrosmienna liczba pary może zasypanie do tej samej jednej stanu kwantowego podstawowego — superkonduktor. Ten zbiorowy stan ma dziurę energetyczną oddzielającą go od najniższych dostępnych stanie wzbudzonych, więc słabe zdarzenia rozpraszające, które zwykle zdegradowałyby prąd zwyczajny, prostym nie mogą się wykonać: nie ma tam gdzie wejść elektronowi rozpraszonymi w energetyce, a opór zniknie.

Tłucznica Londona

Wyeliminowanie pola nie jest abruptym przerywaniem się na powierzchni. Superpozycja par Cooper reaguje na zewnetrzne pole, tworząc skuteczne strumienie wzmocnienia w delcie cienkiej powierzchniowej. Te strumienie generują własny pole, które anulowuje zewnetrzne pole w wnętrzu materiału. Grubość tej delty jest tlucznicą Londona, zwykle kilkanaście do kilka setek nanometrów, a pol pole sięga w niej prawie eksponencjalnie od powierzchni:

B(x) = B_surface * exp(-x / lambda_L) (pole zanikające w głąb powierzchni) lambda_L = tlucznica Londona, cecha materiałowa x = głębokość zmierzona od powierzchni supekonduktora Po kilku tlucznicach w głąb materiału, pole jest prawie zerowe — wnętrze supekonduktora rzeczywiście wyklucza flux magnetyczny, dokładnie jak przewiduje efekt Meissnera.

B(x) = B_surface * exp(-x / lambda_L)     (field decaying into the surface)

lambda_L = the London penetration depth, a material property
x        = depth measured from the superconductor's surface

Pinowanie fluxu: od odrzucenia do stabilnej lewitacji

Prawdopodobnie jedynie meissnerowska wydzielenia bylaby prowadziła do odrzucenia bliskiego magnetu, co jest konfiguracją niestabilną — klasyczne pokazanie magnetu zawisającego bez pomocy nad czystym repulsywnym odmagnetyzatorem jest słynnie trudne do utrzymania w równowadze. W rzeczywistości typu-II supekonduktorów, używanych w pokazach i zastosowaniach, pozwala na wejście magnetycznego fluxu w dyskretnych, kwantowych filamentach nazywanymi wirami, gdy pole przekroczy wartość krytyczną dolną, a nie wyklucza go całkowicie. W kluczowej chwili, defekty materiału i impurecie mogą fizycznie przykleić te wiry fluxu w miejscu, zablokując pozycję i orientację supekonduktora w stosunku do linii pola magnetycznego, a nie jedynie odrzucając go. To przyklejanie jest to, co pozwala na stabilne lewitowanie pisklęcia supekonduktorowego chłodzonego nad ścieżką magnetyczną, odpornością na przesunięcie w bok i nawet zawieszenie pod magnetykiem — zachowanie, którego jedynym odrzuceniem nie byłoby w stanie wytworzyć samodzielnie.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Superconductor Meissner Effect i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.