Meisnera efekts: kas tas ir — kā supravadītāji izstumj magnētisko lauku
Meisnera efekts izpaužas kā magnētiskā lauka izstumšana no supravadītāja, kad tas kļūst supravadošs. Ja supravadītāju ieliktu liela magnēta laukā un paskatītos tieši supravadītāja iekšpusē, redzams, ka magnētiskais lauks ir ievērojami mazāks nekā ārpusē — dziļāk iekšienē tas tuvinās nullei. Tas izceļ vienu no svarīgākajām īpašībām, kas atšķir supravadītājus no ideāliem vadītājiem: ideāls vadītājs tikai saglabā sākotnējo magnētisko lauku, bet supravadītājs to aktīvi izstumj.
Meisnera efektu 1933. gadā atklāja Valters Meisners un Roberts Ošenfelds. Viņi konstatēja, ka, tā kā magnētiskais lauks tiek izstumts no supravadītāja iekšienes, laukam jāpalielinās tieši ārpus tā virsmas — rodas laukuma pārdale. Šo fenomenu var skaidrot ar to, ka supravadītājā rodas virsmas strāvas, kas rada pretēju magnētisko lauku un anulē iekšējo lauku.
Kā tas darbojas
Meisnera efekts ir makroskopisks kvantu fenomens. Kad materiāns pāriet supravadības stāvoklī, brīvie elektroni (pāru veidā — Kūpera pāri) veido kolektīvu stāvokli, kas reaģē uz ārējo magnētisko lauku, radot virsmas strāvas. Šīs strāvas izveido magnētisko lauku, kas pretējs ārējam laukam un tādējādi izstumj to no materiāla iekšienes.
Matemātiski Meisnera efektu apraksta Londona vienādojumi kopā ar Maksvela vienādojumiem. No tiem izriet, ka magnētiskais lauks supravadītāja iekšienē eksponenciāli samazinās ar attālumu no virsmas — raksturīgais samazināšanas garums saucas penetrācijas dziļums (London penetration depth, λ).
Penetrācijas dziļums un supravadītāju veidi
- Penetrācijas dziļums (λ) parasti ir ļoti mazs — tipiski daždesmiti līdz daži simti nanometru (atkarībā no materiāla). Tas nozīmē, ka magnētiskais lauks praktiski neiekļūst dziļi supravadītājā.
- Tipa I supravadītāji pilnībā izstumj magnētisko lauku līdz kritiskajam laukam Hc, pēc kura supravadītība zūd.
- Tipa II supravadītāji demonstrē divus kritiskos laukumus Hc1 un Hc2. Starp Hc1 un Hc2 notiek tā dēvētais jauktais stāvoklis, kurā magnētiskais lauks iekļūst materiālā kvantētos “vorteksos” (fluģoni), katrs ar vienu magnētiskā plūsmas kvantu. Šie vorteksi var tikt pinēti (sastinguši) materiāla defektos, radot stabilu magnētisku sasaisti — tas ļauj sasniegt tā dēvēto kvantu “locking” jeb kvantu piesiešanu.
Praktisks piemērs: levitācija un kvantu piesiešana
Viens labi pazīstams demonstrācijas piemērs ir neliels magnēts, kas levitē virs supravadošas plāksnes, kura tiek dzesēta ar šķidro slāpekli. Lai nepieļautu magnētiskā lauka iekļūšanu supravadītājā, supravadītājs rada pretējo lauku — tādējādi tas atgrūž magnētu. Ja ir flux pinning (kvantu piesiešana), magnēts ne tikai levitē, bet arī fiksējas noteiktā attālumā un orientācijā, ko bieži sauc par kvantu "locking" vai "quantum levitation". Šādas demonstrācijas ir vizuāli iespaidīgas un izplatītas mācību laboratorijās.
Atšķirība no ideāla vadītāja
Ir svarīgi saprast atšķirību starp ideālu vadītāju un supravadītāju: ideāls vadītājs ar nulles pretestību tikai saglabātu magnētiskā lauka konfigurāciju, kas pastāvēja brīdī, kad materiāls kļuva par ideālu vadītāju. Supravadītājs savukārt aktīvi izstumj lauku neatkarīgi no iepriekšējā laukuma stāvokļa — tas ir Meisnera efekts, kas parāda supravadītības īpašo termodinamisko stāvokli.
Pielietojumi
- Magnētiskā levitācija (maglev) un berzes samazināšana rotējošās iekārtās un gultņos.
- Stabilas magnētiskās pozīcijas nodrošināšana mācību demonstrācijām (kvantu piesiešana).
- Augsti jutīgi magnētiskie sensori un ierīces, piemēram, SQUID (superconducting quantum interference device).
- Supravadītāju magnētiskie periskopi un magnētisko lauku kontrolējošas sistēmas medicīnas un pētniecības ierīcēs, piemēram, dažu veidu magnētiskās rezonanses iekārtu komponentēs.
Kopumā Meisnera efekts ir būtisks supravadītāju fizikā un tehnoloģijā — tas ilustrē, kā kvantu mehānikas kolektīvais raksturs noved pie jauniem makroskopiskiem materiālu īpašību veidiem, kuriem ir gan fundamentāla, gan praktiska nozīme.
Meissnera efekts, ko demonstrē, levitējot magnētu virs kuprāta (vara bāzes) supravadītāja, kas tiek dzesēts ar šķidro slāpekli.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Meissnera efekts?
A: Tas ir, kad magnētiskais lauks tiek izstumts no supravadītāja, kad tas kļūst supravadošs.
J: Kas notiek ar magnētisko lauku, ja supravadītāju ievieto lielā magnētā?
A: Magnētiskais lauks ir daudz mazāks, nekā tas bija ārpusē, un, jo dziļāk tu ieskaties, jo tuvāk nullei tas ir.
J: Ar ko supravadītāji atšķiras no perfektiem vadītājiem attiecībā uz magnētisko lauku?
A: Atšķirībā no perfektiem vadītājiem supravadītāji nelaiž cauri magnētiskos laukus.
J: Kas atklāja Meissnera efektu?
A: Valters Meisners un Roberts Ošenfelds atklāja šo efektu 1933. gadā.
J: Kā Meissnera efekts izraisa magnēta levitāciju virs supravadošas plāksnes, kas atdzesēta ar šķidro slāpekli?
A: Supravadītājs darbojas kā magnēts, kas vērsts pretējā virzienā, lai apturētu magnētiskā lauka iekļūšanu supravadītājā. Tas atgrūž īsto magnētu un neļauj tam pietuvoties.
J: Kāpēc magnētiskais lauks ārpus supravadītāja kļūst spēcīgāks?
A: Magnētiskais lauks nevar iziet cauri supravadītājam, tāpēc tas kļūst spēcīgāks tieši ārpus supravadītāja.
J: Kāds ir viens no Meissnera efekta piemēriem?
A: Viens no Meissnera efekta piemēriem ir magnēts, kas levitē virs supravadošas plāksnes, kura tiek dzesēta ar šķidro slāpekli.
