Надпровідний ефект Майзена: Чому Холодний М’яч Плаває

Нульове опоріження – це не вся історія

Охолодіть певні матеріали нижче критичної температури, і їх електричний опір різко падає до нуля — струм, запущений у петлю з надпровідника, циркулюватиме стільки, скільки коли-небудь виміряно, без будь-якого помітного розминку. Це само по собі було б захоплюючим провідником, але в 1933 році Волтер Майзнер та Роберт Оксенфельдт відкрили щось дивніше: надпровідник не просто чинить опір проникненню нового магнітного поля, він активно виштовхує існуюче поле з себе, коли перетинає критичну температуру, незалежно від того, було це поле вже присутнє до охолодження або ні. Ця активна відкидання, ефект Майзера, не може бути пояснена лише нульовим опоріженням і є справжнім визначальним знаком справжньої надпровідності.

Ко́уперівські пари: електрони, що припиняють взаємне відштовхування

Мікроскопічне пояснення, розроблене Бардіном, Купером та Шрієффером у 1957 році (теорія BCS), починається з несподіваної ідеї: нижче критичної температури електрони в матеріалі можуть утворювати слабо зв’язані пари, названі ко́уперівськими парами, попри їхній взаємний електричний відштовхування. Зв'язок опосередковано здійснює кристалічна решітка — один електрон незначно деформує решітку, коли проходить повз, тимчасово притягуючи сусідні позитивні іони ближче разом, а другий електрон притягується до цієї тимчасової області надлишків позитивного заряду перед тим, як решітка повернеться до свого вихідного стану. Ефект є слабким, фононим-посередкованим притяганням, яке може переважити пряче кулонове відштовхування за достатньо низької температури.

Оскільки коуперівська пара має цілісне значення загального спіну, вона поводиться як бозон, а не як ферміон, і велика кількість пар може конденсуватися в єдиний квантовий основний стан — надпровідну конденсацію. Цей колективний стан має енергетичний бар’єр, що відокремлює його від найнижчих доступних збуджених станів, тому слабкі події розсіювання, які зазвичай погіршують звичайний струм, просто не можуть відбуватися: там немає місця поруч з енергетичною щільністю, куди б електрон міг розсіятися, і опір зникає.

Глибина Лондоніса

Вигнання поля не є чітко різким перерізом на поверхні. Коперівський конденсат парів реагує на зовнішнє поле, створюючи постійні екраноплавні струми в тонкому поверхневому шарі, і ці струми генерують власне поле, яке скасовує зовнішнє всередині маси. Товщина цього поверхневого шару – глибина Лондоніса, яка зазвичай становить десятки до кількох сотень нанометрів, і в ньому магнітне поле спадає приблизно експоненціально з відстанню від поверхні:

B(x) = B_surface * exp(-x / lambda_L) (поле зменшується вглиб поверхні) lambda_L = глибина Лондоніса, властивість матеріалу x = глибина, виміряна від поверхні надпровідника Поза кількома проникними глибинами в матеріал поле практично дорівнює нулю — внутрішня частина надпровідника справді виключає магнітний потік, точно так, як передбачає ефект Мейснера.

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

Запобігання потокам: від відштовхування до стабільного висхідства

Самостійна Меissnerівія лише відштовхує сусідній магніт, що є нестабільним станом — класична демонстрація магнета, що зависає над чисто діамагнітним відштовхувачем, відомо не може бути збалансована. Реальні тип-II надпровідники, які використовуються в демонстраціях і застосунках, дозволяють магнітному потоку проникати у вигляді дискретних, квантованих ниток, названі воронками, після того, як поле перевищує нижню критичну величину, а не повністю його виключають. Важливо зазначити, що матеріальні дефекти та домішки можуть фізично зафіксувати ці воронки потоку в певному положенні, закріплюючи позицію та орієнтацію надпровідника відносно ліній магнітного поля, а не просто відштовхуючи його. Це фіксація дозволяє охолодженому кульковому надпровіднику стабільно плавати над магнітом, протистояти боковому поштовху та навіть висіти підвішеним під магнітом — поведінка, яку може створити лише чиста відштовхуюча сила.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Superconductor Meissner Effect і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.