Meissner-effect en het gebruik ervan

Het Meissner-effect of Meissner-Oxenfeld-effect bestaat uit de verplaatsing van een magnetisch veld van het grootste deel van de supergeleider tijdens de overgang naar de supergeleidende toestand. Dit fenomeen werd in 1933 ontdekt door de Duitse natuurkundigen Walter Meissner en Robert Oxenfeld, die de verdeling van het magnetische veld buiten supergeleidende monsters van tin en lood maten.

Walter Meissner

In het experiment werden de supergeleiders, in de aanwezigheid van een aangelegd magnetisch veld, afgekoeld tot onder hun supergeleidende overgangstemperatuur totdat bijna al het interne magnetische veld van de monsters was gereset. Het effect werd slechts indirect door wetenschappers gedetecteerd, omdat de magnetische flux van de supergeleider behouden blijft: wanneer het magnetische veld in het monster afneemt, neemt het externe magnetische veld toe.

Het experiment toonde dus voor het eerst duidelijk aan dat supergeleiders niet alleen ideale geleiders zijn, maar ook een unieke bepalende eigenschap van de supergeleidende toestand demonstreren.Het vermogen om het magnetische veld te verschuiven wordt bepaald door de aard van het evenwicht dat wordt gevormd door neutralisatie in de eenheidscel van de supergeleider.

Een supergeleider met weinig of geen magnetisch veld zou zich in de Meissner-toestand bevinden. Maar de toestand van Meissner valt uiteen als het aangelegde magnetische veld te sterk is.

Het is vermeldenswaard dat supergeleiders kunnen worden onderverdeeld in twee klassen, afhankelijk van hoe deze schending optreedt: in supergeleiders van het eerste type wordt supergeleiding abrupt geschonden wanneer de sterkte van het aangelegde magnetische veld hoger wordt dan de kritische waarde Hc .

Afhankelijk van de geometrie van het monster kan een tussentoestand worden verkregen, vergelijkbaar met het prachtige patroon van gebieden van normaal materiaal dat een magnetisch veld draagt, vermengd met gebieden van supergeleidend materiaal waar geen magnetisch veld is.

In type II supergeleiders leidt het verhogen van de toegepaste magnetische veldsterkte tot de eerste kritische waarde Hc1 tot een gemengde toestand (ook wel een vortextoestand genoemd), waarin steeds meer magnetische flux het materiaal binnendringt, maar er geen weerstand is tegen elektrische stroom tenzij deze stroom niet te hoog is.

Bij de waarde van de tweede kritische sterkte Hc2 wordt de supergeleidende toestand vernietigd. De gemengde toestand wordt veroorzaakt door wervels in een superfluïde elektronenvloeistof, die soms fluxons (fluxon-kwantum van magnetische flux) worden genoemd omdat de flux die door deze wervels wordt gedragen, gekwantiseerd is.

De zuiverste elementaire supergeleiders, met uitzondering van niobium- en koolstofnanobuisjes, zijn van het eerste type, terwijl bijna alle onzuiverheden en complexe supergeleiders van het tweede type zijn.

Fenomenologisch werd het Meissner-effect verklaard door de broers Fritz en Heinz London, die aantoonden dat de elektromagnetische vrije energie van een supergeleider wordt geminimaliseerd onder de voorwaarde:

Deze voorwaarde wordt de vergelijking van Londen genoemd. Hij voorspelde dat het magnetische veld in een supergeleider exponentieel afneemt van de waarde die het aan het oppervlak heeft.

Als een zwak magnetisch veld wordt aangelegd, verplaatst de supergeleider bijna alle magnetische flux. Dit komt door het verschijnen van elektrische stromen nabij het oppervlak.Het magnetische veld van de oppervlaktestromen neutraliseert het aangelegde magnetische veld in het volume van de supergeleider. Aangezien de verplaatsing of onderdrukking van het veld in de loop van de tijd niet verandert, betekent dit dat de stromen die dit effect veroorzaken (gelijkstromen) niet in de loop van de tijd afnemen.

Nabij het oppervlak van het monster, binnen de Londense diepte, is het magnetische veld niet helemaal afwezig. Elk supergeleidend materiaal heeft zijn eigen magnetische penetratiediepte.

Elke perfecte geleider voorkomt elke verandering in de magnetische flux die door het oppervlak gaat als gevolg van normale elektromagnetische inductie bij nulweerstand. Maar het Meissner-effect verschilt van dit fenomeen.

Wanneer een conventionele geleider wordt afgekoeld tot een supergeleidende toestand in de aanwezigheid van een permanent aangelegd magnetisch veld, wordt tijdens deze overgang magnetische flux uitgestoten. Dit effect kan niet worden verklaard door oneindige geleidbaarheid.

De plaatsing en daaropvolgende levitatie van een magneet op een reeds supergeleidend materiaal vertoont niet het Meissner-effect, terwijl het Meissner-effect wordt vertoond als de aanvankelijk stationaire magneet later wordt afgestoten door de tot een kritische temperatuur afgekoelde supergeleider.

In de Meissner-toestand vertonen supergeleiders perfect diamagnetisme of superdiamagnetisme. Dit betekent dat het totale magnetische veld heel dicht bij nul diep binnenin hen is, een grote afstand naar binnen vanaf het oppervlak. Magnetische gevoeligheid -1.

Diamagnetisme wordt gedefinieerd door het genereren van de spontane magnetisatie van een materiaal dat precies tegengesteld is aan de richting van een extern aangelegd magnetisch veld.Maar de fundamentele oorsprong van diamagnetisme in supergeleiders en normale materialen is heel anders.

In gewone materialen treedt diamagnetisme op als een direct gevolg van elektromagnetisch geïnduceerde orbitale rotatie van elektronen rond atoomkernen wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd. In supergeleiders ontstaat de illusie van perfect diamagnetisme vanwege constante afschermstromen die tegen het aangelegde veld vloeien (het Meissner-effect zelf), niet alleen vanwege orbitale spin.

De ontdekking van het Meissner-effect leidde in 1935 tot de fenomenologische theorie van supergeleiding door Fritz en Heinz London. Deze theorie verklaart het verdwijnen van de weerstand en het Meissner-effect. Hierdoor konden we de eerste theoretische voorspellingen doen over supergeleiding.

Deze theorie verklaart echter alleen de experimentele waarnemingen, maar laat de identificatie van de macroscopische oorsprong van de supergeleidende eigenschappen niet toe.Dit werd later, in 1957, met succes gedaan door de Bardeen-Cooper-Schriefer-theorie, waaruit zowel de penetratiediepte als het Meissner-effect volgen. Sommige natuurkundigen beweren echter dat de Bardeen-Cooper-Schrieffer-theorie het Meissner-effect niet verklaart.

Het Meissner-effect wordt toegepast volgens het volgende principe. Wanneer de temperatuur van een supergeleidend materiaal een kritieke waarde passeert, verandert het magnetische veld eromheen abrupt, wat resulteert in het genereren van een EMF-puls in de spoel die rond dergelijk materiaal is gewikkeld. En wanneer de stroom van de stuurspoel verandert, kan de magnetische toestand van het materiaal worden geregeld. Dit fenomeen wordt gebruikt om ultrazwakke magnetische velden te meten met behulp van speciale sensoren.

Een cryotron is een schakelapparaat gebaseerd op het Meissner-effect. Structureel bestaat het uit twee supergeleiders. Een spoel van niobium is gewikkeld rond een staaf van tantaal waar een stuurstroom doorheen loopt.

Naarmate de stuurstroom toeneemt, neemt de sterkte van het magnetische veld toe en gaat het tantaal over van de supergeleidende toestand naar de gewone toestand.In dit geval veranderen de geleidbaarheid van de tantaaldraad en de bedrijfsstroom in het stuurcircuit in een niet-lineaire manier. Op basis van cryotrons ontstaan ​​bijvoorbeeld gestuurde kleppen.