🧊 Efekt Meissnera w nadprzewodnikach — wypychanie strumienia i lewitacja magnetyczna

Efekt Meissnera to samorzutne wypchnięcie linii pola magnetycznego z wnętrza materiału w momencie przejścia w stan nadprzewodzący. Różni się od zwykłego idealnego diamagnetyzmu: hipotetyczny idealny przewodnik jedynie uwięziłby pole obecne w chwili utraty oporu, natomiast prawdziwy nadprzewodnik aktywnie wypycha istniejące już pole, niezależnie od jego historii. Zjawisko to zademonstrowali eksperymentalnie Walther Meissner i Robert Ochsenfeld w 1933 roku.

Wybierz materiał — rtęć typu I lub YBCO typu II — następnie przeciągaj suwak temperatury przez temperaturę krytyczną Tc i obserwuj uniesienie magnesu po przejściu krążka w stan nadprzewodzący. Suwak siły pola magnesu kontroluje siłę pola unoszącego się magnesu; przy dostatecznie dużej wartości dla próbki typu II zobaczysz przejście do częściowego stanu mieszanego z wirami, a w typie I może dojść do całkowitego zaniku nadprzewodnictwa.

Wypchnięty strumień magnetyczny musi gdzieś się podziać: prądy powierzchniowe nadprzewodnika wytwarzają pole odbijające pole samego magnesu, odpychając go niczym magnes lustrzany wypychany od dołu. Ta siła odpychająca równoważy grawitację na stabilnej wysokości. W nadprzewodnikach typu II wiry strumienia są przypięte do defektów sieci krystalicznej, co usztywnia także położenie boczne i obrotowe magnesu.

Głębokość wnikania Londona to charakterystyczna odległość, na jakiej zewnętrzne pole magnetyczne zanika wykładniczo, wchodząc w powierzchnię nadprzewodnika, zgodnie z B(x) = B₀·exp(−x/λ). Zazwyczaj wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset nanometrów i rośnie w miarę zbliżania się temperatury do Tc.

Teoria BCS (Bardeen, Cooper, Schrieffer, 1957) wykazała, że poniżej Tc elektrony tworzą słabo związane pary — pary Coopera — za pośrednictwem drgań sieci krystalicznej (fononów): jeden elektron nieznacznie odkształca sieć jonową, a to odkształcenie przyciąga drugi elektron. Pary te zachowują się jak bozony i kondensują w jeden spójny stan kwantowy poruszający się przez sieć bez rozpraszania — to mikroskopowe źródło zarówno zerowego oporu, jak i efektu Meissnera.

Nadprzewodniki typu I (głównie czyste metale, jak rtęć i ołów) wykazują całkowite wypchnięcie Meissnera aż do pojedynczego pola krytycznego Hc, powyżej którego nadprzewodnictwo gwałtownie zanika. Nadprzewodniki typu II (stopy i ceramiki, jak niob-tytan i YBCO) wypychają strumień całkowicie tylko poniżej niższego pola krytycznego Hc1; między Hc1 a znacznie wyższym Hc2 wchodzą w stan mieszany, w którym pole wnika w postaci skwantowanych wirów strumienia, a reszta materiału pozostaje nadprzewodząca.

Rtęć, pierwszy odkryty nadprzewodnik (Heike Kamerlingh Onnes, 1911), ma Tc około 4,2 K, wymagając chłodzenia ciekłym helem. Niob-tytan, stosowany w magnesach MRI, ma Tc około 9–10 K. Wysokotemperaturowy nadprzewodnik ceramiczny YBa₂Cu₃O₇ (YBCO), odkryty w 1987 roku, ma Tc około 93 K — powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu (77 K).

Nie do końca. Dwa zwykłe magnesy odpychające się jednoimiennymi biegunami są niestabilne bocznie. Nadprzewodnik lewitujący magnes dzięki efektowi Meissnera, zwłaszcza nadprzewodnik typu II z przypiętymi wirami strumienia, jest usztywniony we wszystkich kierunkach, co pozwala na demonstracje lewitacji magnesu na zakrzywionym torze lub zawieszenia go pod kątem.

Poszukiwanie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej jest jednym z głównych otwartych problemów. Związki bogate w wodór, takie jak wodorek lantanu, wykazały nadprzewodnictwo powyżej 250 K, ale wyłącznie pod ogromnymi ciśnieniami. Naukowcy badają też nadprzewodniki na bazie żelaza, skręcony dwuwarstwowy grafen pod magicznym kątem oraz nadprzewodniki topologiczne przydatne dla odpornych na błędy obliczeń kwantowych.