UK 
EnglishЗа замовчуванням
Polski🧊 Ефект Мейснера у надпровіднику — витіснення потоку та магнітна левітація
Інтерактивний 3D-симулятор надпровідника. Охолодіть шайбу нижче критичної температури, щоб побачити активне витіснення магнітного поля (ефект Мейснера) і левітацію магніту. Дослідіть глибину проникнення Лондона, куперівські пари та надпровідність I і II роду.
Про ефект Мейснера
Цей інтерактивний 3D-симулятор відтворює у справжньому WebGL визначальну властивість надпровідності: ефект Мейснера. Надпровідник нижче своєї критичної температури Tc не просто проводить без опору — він активно витісняє прикладене магнітне поле зі своєї внутрішньої частини за допомогою постійних поверхневих надструмів, тому поле зберігається лише в тонкому шарі біля поверхні — глибині проникнення Лондона λ. Це витіснення штовхає постійний магніт вгору й утримує його в левітації, а в реальних матеріалах II роду дефекти, що фіксують вихори потоку на місці, надають левітації бокову стабільність, а не лише вертикальне відштовхування.
Охолодіть шайбу нижче Tc, і магніт, що лежить на її поверхні, злітає й зависає. Нагрійте назад вище Tc, і поле повертається крізь тепер уже звичайний матеріал, і магніт опускається назад. Перемикайтеся між I родом (як ртуть, різке й повне витіснення, низька Tc) та II родом (як YBCO, часткове проникнення потоку вище нижнього критичного поля, висока Tc), щоб побачити, як два класи надпровідників поводяться по-різному.
Часті запитання
Що таке ефект Мейснера точно?
Ефект Мейснера — це спонтанне витіснення силових ліній магнітного поля з внутрішньої частини матеріалу при переході в надпровідний стан. Це відрізняється від простого ідеального діамагнетизму: гіпотетичний ідеальний провідник просто захопив би будь-яке поле, що було присутнє в момент, коли він став безопірним, але справжній надпровідник активно виштовхує наявне поле теж, незалежно від історії поля. Це було експериментально продемонстровано Вальтером Мейснером і Робертом Оксенфельдом у 1933 році.
Як користуватися цією симуляцією?
Оберіть матеріал — I роду (ртуть) або II роду (YBCO) — потім перетягніть повзунок температури через критичну температуру Tc і спостерігайте, як магніт злітає, коли шайба стає надпровідною. Повзунок сили поля магніту керує тим, наскільки сильне поле магніту, що зависає; підніміть його достатньо високо на зразку II роду, і ви побачите, як умова потоку перемикається з повного витіснення Мейснера на частковий «змішаний стан» з вихорами.
Чому магніт насправді левітує?
Витіснений магнітний потік має кудись подітися: поверхневі надструми надпровідника генерують поле, що віддзеркалює власне поле магніту, відштовхуючи його точно як «дзеркальний магніт», підштовхуваний знизу. Ця відштовхувальна сила зростає, коли магніт наближається до поверхні, і врівноважує гравітацію на стабільній висоті. У надпровідниках II роду вихори потоку фіксуються на дефектах кристалічної ґратки, що також блокує бокове й обертальне положення магніту.
Що таке глибина проникнення Лондона?
Глибина проникнення Лондона λ — характерна відстань, на якій зовнішнє магнітне поле експоненційно згасає, входячи в поверхню надпровідника, за законом B(x) = B₀·exp(−x/λ). Це не тверда стіна — поле не нульове точно на поверхні, воно просто швидко спадає, зазвичай на десятки-кілька сотень нанометрів залежно від матеріалу. λ зростає при наближенні температури до Tc.
Що таке куперівські пари та теорія БКШ?
У 1957 році Джон Бардін, Леон Купер і Роберт Шріффер (теорія БКШ) показали, що нижче Tc електрони, які зазвичай відштовхуються, можуть утворювати слабко зв'язані пари — куперівські пари — за посередництва коливань ґратки (фононів). Ці пари поводяться як бозони й конденсуються в єдиний когерентний квантовий стан, що рухається крізь ґратку без розсіювання.
Яка різниця між надпровідниками I та II роду?
Надпровідники I роду (переважно чисті елементарні метали, як ртуть, свинець та олово) показують повне витіснення Мейснера до єдиного критичного поля Hc, вище якого надпровідність різко й повністю руйнується. Надпровідники II роду (сплави й кераміка, як ніобій-титан та YBCO) повністю витісняють потік лише нижче нижнього критичного поля Hc1; між Hc1 і набагато вищим Hc2 вони входять у «змішаний стан», де магнітне поле проникає квантованими вихорами потоку.
Які є реальні критичні температури?
Ртуть, перший відкритий надпровідник (Хейке Камерлінг-Оннес, 1911), має Tc ≈ 4.2 К, що потребує рідкого гелію. Ніобій-титан, використовуваний у магнітах МРТ, має Tc ≈ 9-10 К. Високотемпературний керамічний надпровідник YBa₂Cu₃O₇ (YBCO), відкритий у 1987 році, має Tc ≈ 93 К — вище точки кипіння рідкого азоту 77 К.
Чи є квантова левітація тим самим, що звичайне магнітне відштовхування?
Не зовсім. Два звичайні магніти, розштовхнуті однойменними полюсами, за своєю природою нестабільні вбоки. Надпровідник, що левітує магніт через ефект Мейснера, особливо надпровідник II роду з фіксованими вихорами потоку, зафіксований у всіх напрямках.
Який активний напрям досліджень у надпровідності?
Пошук надпровідності за кімнатної температури — одна з найбільших відкритих проблем фізики конденсованого стану. Багаті на водень сполуки, як-от гідрид лантану, показали надпровідність вище 250 К, але лише під величезним тиском. Дослідники також вивчають надпровідники на основі заліза, скручений двошаровий графен та топологічні надпровідники.