Meissnerjev učinek: izrivanje magnetnega polja pri superprevodnikih
Meissnerjev učinek se kaže v tem, da se magnetno polje iztisne iz superprevodnika, ko ta postane superprevoden. Če bi superprevodnik postavili v polje močnejšega magneta in pogledali v notranjost superprevodnika, bi videli, da je magnetno polje v notranjosti veliko manjše kot zunaj; približno na površini se polje hitro upočasni proti ničli. To izrivanje polja je eden od glavnih načinov, kako se superprevodniki razlikujejo od idealnih (popolnih) prevodnikov, ki magnetnih polj ne izrinjajo avtomatično.
Kaj se dejansko dogaja?
Ko material preide v superprevodno stanje (pod kritično temperaturo Tc), se v njem sprožijo tokovi na površini — tako imenovani ščitni ali površinski tokovi — ki ustvarijo magnetno polje nasprotne usmeritve. Ta polja se seštevajo z zunanjim poljem in ga v notranjosti superprevodnika praktično izničijo. Posledica je močna diamagnetna reakcija: idealen superprevodnik izkazuje relativno magnetno jakost enako -1 (χ = −1), torej popolno izrinitev polja.
Fizikalna razlaga in prodiranje polja
Meissnerjev učinek ni zgolj posledica ničelne upornosti — to je termodinamična lastnost superprevodnosti. Matematično ga opisujeta Londonski enačbi, ki napovesta, da magnetno polje v superprevodniku pada eksponentno s tipično razdaljo, imenovano penetracijska globina λ (lambda). Tipične vrednosti λ so od nekaj deset nanometrov do nekaj sto nanometrov, odvisno od materiala. Izraz za padajoče polje v enodimenzionalnem primeru je približno B(x) = B0 exp(−x/λ).
Razlika med popolnim prevodnikom in superprevodnikom
Pomembna opomba: če idealni (popolni) prevodnik ohladimo v prisotnosti zunanjega magnetnega polja, se inducirani tokovi lahko ohranijo in polje je "zamrznjeno" znotraj — v tem primeru se polje v materialu ne izrine. Superprevodnik pa ob vstopu v superprevodno fazo aktivno spremeni magnetno stanje in polje izrine tudi, če je bilo polje prisotno že pred prehodom. Zato Meissnerjev učinek kaže, da je superprevodnost nova faza snovi, ne le stanje z ničelno upornostjo.
Tipi superprevodnikov in kvantizirane vrtince
Obstajata dva osnovna tipa superprevodnikov:
- Tip I: pri dovolj majhnih magnetnih poljih material popolnoma izrine polje do kritične vrednosti Hc, pri kateri preide v normalno stanje.
- Tip II: ima dve mejni vrednosti polja, Hc1 in Hc2. Med njima magnetno polje vstopa v obliki diskretnih, kvantiziranih vrtincev (vorteksov) s posameznimi kvanti magnetnega pretoka (fluxons). Ti vrtinci nosijo enega kvanta pretoka φ0 = h/2e ≈ 2,07·10^−15 Wb in so obdani z nadtokovnimi tokovi.
Pri tipu II lahko zaradi teh vrtincev del polja vstopi v material — vendar je to drugačen pojav kot v običajnem prevodniku. Če so vrtinci ujeti v nepravilnostih kristalnega rešetka (flux pinning), nastane močna stabilna levitacija magneta in manj drsenja vrtincev, kar je koristno za praktične naprave.
Praktičen primer: lebdeči magnet
Enega najbolj znanih demonstracij Meissnerjevega učinka predstavlja magnet, ki lebdi nad ohlajeno superprevodno ploščo. Pri visjekritičnih (high-Tc) superprevodnikih, kot je YBa2Cu3O7 (YBCO), zadostuje ohlajanje s tekočim dušikom (~77 K), da nastane superprevodnost. Ker superprevodnik izrine magnetno polje, se v njem inducirajo tokovi, ki delujejo kot nasproten magnet — magnet se odbija in tako lebdi nad površino. Če so vrtinci pripeti, je lebdenje zelo stabilno in magnet lahko "pritrdi" v poljubni poziciji nad ploščo.
Kritične vrednosti in praktični pomen
Superprevodniki imajo tudi kritično temperaturo Tc ter kritične magnetne vrednosti (Hc ali Hc1/Hc2). Če je zunanji magnetni vpliv močnejši od kritične vrednosti, superprevodnost razpade in Meissnerjev učinek izgine. Poznavanje penetracijske globine, koherentne dolžine in kritičnih vrednosti je ključno za uporabo superprevodnikov v tehnologiji — npr. v magnetni levitaciji (maglev), vatornih magnetih za MRI, sensorjih tipa SQUID in v kvantni elektroniki.
Zgodovina
Meissnerjev učinek sta leta 1933 odkrila nemška fizika Walter Meissner in Robert Ochsenfeld. S preprostimi merjenji sta pokazala, da magnetno polje resnično izstopi iz superprevodnega vzorca in da se zunanje polje ob tem lokalno spremeni. Odkritje je bilo ključno, saj je pokazalo, da je superprevodnost več kot le izginotje električnega upora — gre za novo termodinamično stanje snovi z lastnimi magnetnimi lastnostmi.
Zaključek
Meissnerjev učinek je temeljna lastnost superprevodnikov: izrivanje magnetnega polja, nastanek površinskih tokov in posledična idealna diamagnetnost. Razumevanje tega pojava pojasnjuje prikaze, kot je lebdenje magneta nad ohlajeno superprevodno ploščo, in je osnova za številne tehnološke aplikacije, ki izkoriščajo edinstvene magnetne in električne lastnosti superprevodnih materialov.
Meissnerjev učinek, ki se pokaže z levitiranjem magneta nad superprevodnikom na osnovi bakra, ki se hladi s tekočim dušikom.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je Meissnerjev učinek?
O: To je, ko se magnetno polje iztisne iz superprevodnika, ko ta postane superprevoden.
V: Kaj se zgodi z magnetnim poljem, ko superprevodnik postavimo v velik magnet?
O: Magnetno polje je veliko manjše, kot je bilo zunaj, in globlje ko pogledamo, bolj se približuje ničli.
V: Kako se superprevodniki razlikujejo od popolnih prevodnikov glede magnetnih polj?
O: V nasprotju s popolnimi prevodniki superprevodniki ne prepuščajo magnetnih polj.
V: Kdo je odkril Meissnerjev učinek?
O: Učinek sta leta 1933 odkrila Walter Meissner in Robert Ochsenfeld.
V: Kako Meissnerjev učinek povzroči lebdenje magneta nad superprevodno ploščo, ohlajeno s tekočim dušikom?
O: Superprevodnik deluje kot magnet, ki je usmerjen v nasprotno smer in preprečuje, da bi magnetno polje prodrlo v superprevodnik. To pravi magnet odbija in mu preprečuje, da bi se približal.
V: Zakaj se magnetno polje zunaj superprevodnika okrepi?
O: Magnetno polje ne more iti skozi superprevodnik, zato postane močnejše zunaj superprevodnika.
V: Kateri je primer Meissnerjevega učinka?
O: Primer Meissnerjevega učinka je magnet, ki lebdi nad superprevodno ploščo, ohlajeno s tekočim dušikom.
