Meissneri efekt ja selle kasutamine

Meissneri efekt või Meissner-Oxenfeldi efekt seisneb magnetvälja nihkumises ülijuhi põhiosast selle üleminekul ülijuhtivasse olekusse. Selle nähtuse avastasid 1933. aastal saksa füüsikud Walter Meissner ja Robert Oxenfeld, kes mõõtsid magnetvälja jaotust väljaspool ülijuhtivaid tina ja plii proove.

Walter Meissner

Katses jahutati ülijuhte rakendatud magnetvälja juuresolekul alla nende ülijuhtiva ülemineku temperatuuri, kuni peaaegu kogu proovide sisemine magnetväli lähtestati. Mõju avastasid teadlased vaid kaudselt, sest ülijuhi magnetvoog säilib: kui proovi sees magnetväli väheneb, siis väline magnetväli suureneb.

Seega näitas katse esimest korda selgelt, et ülijuhid pole mitte ainult ideaalsed juhid, vaid näitavad ka ülijuhtiva oleku ainulaadset määravat omadust.Magnetvälja nihutamise võime määrab ülijuhi raku sees neutraliseerimisel tekkiva tasakaalu olemus.

Väikse või olematu magnetväljaga ülijuht on väidetavalt Meissneri olekus. Kuid Meissneri olek laguneb, kui rakendatud magnetväli on liiga tugev.

Siinkohal väärib märkimist, et ülijuhid saab jagada kahte klassi olenevalt sellest, kuidas see rikkumine toimub.Esimest tüüpi ülijuhtides rikutakse ülijuhtivust järsult, kui rakendatava magnetvälja tugevus tõuseb kriitilisest väärtusest Hc .

Sõltuvalt proovi geomeetriast võib saada vahepealse oleku, mis on sarnane normaalse materjali magnetvälja kandvate piirkondade suurepärase mustriga, mis on segatud ülijuhtiva materjali piirkondadega, kus magnetväli puudub.

II tüüpi ülijuhtides viib rakendatud magnetvälja tugevuse suurendamine esimese kriitilise väärtuseni Hc1 segaseisundisse (tuntud ka kui keerisolekusse), kus materjali tungib üha rohkem magnetvoogu, kuid elektrivoolu takistus puudub. kui see vool ei ole liiga suur.

Teise kriitilise tugevuse Hc2 väärtusel ülijuhtiv olek hävib. Segaseisundi põhjustavad ülivedelikus elektronvedelikus olevad keerised, mida mõnikord nimetatakse fluxoniteks (magnetvoo fluxon-quantum), kuna nende keeriste poolt kantud voog on kvantiseeritud.

Kõige puhtamad elementaarsed ülijuhid, välja arvatud nioobium ja süsiniknanotorud, on esimest tüüpi, samas kui peaaegu kõik lisandid ja keerulised ülijuhid on teist tüüpi.

Fenomenoloogiliselt selgitasid Meissneri efekti vennad Fritz ja Heinz London, kes näitasid, et ülijuhi elektromagnetiline vaba energia on minimeeritud järgmistel tingimustel:

Seda tingimust nimetatakse Londoni võrrandiks. Ta ennustas, et ülijuhi magnetväli väheneb eksponentsiaalselt, olenevalt sellest, mis väärtus sellel pinnal on.

Kui rakendatakse nõrk magnetväli, tõrjub ülijuht peaaegu kogu magnetvoo välja. Selle põhjuseks on elektrivoolude ilmumine selle pinna lähedale Pinnavoolude magnetväli neutraliseerib ülijuhi ruumala sees rakendatud magnetvälja. Kuna välja nihkumine või allasurumine ajas ei muutu, tähendab see, et seda efekti tekitavad voolud (alalisvoolud) aja jooksul ei vähene.

Proovi pinna lähedal, Londoni sügavuses, ei puudu magnetväli täielikult. Igal ülijuhtival materjalil on oma magnetiline läbitungimissügavus.

Iga täiuslik juht takistab selle pinda läbiva magnetvoo muutumist normaalse elektromagnetilise induktsiooni tõttu nulltakistusega. Kuid Meissneri efekt erineb sellest nähtusest.

Kui tavaline juht jahutatakse püsivalt rakendatud magnetvälja juuresolekul ülijuhtivasse olekusse, paiskub selle ülemineku ajal magnetvoog välja. Seda efekti ei saa seletada lõpmatu juhtivusega.

Magneti paigutamine ja sellele järgnev levitatsioon juba ülijuhtivale materjalile ei avalda Meissneri efekti, samas kui Meissneri efekt ilmneb siis, kui kriitilise temperatuurini jahutatud ülijuht tõrjub hiljem algselt statsionaarset magnetit.

Meissneri olekus on ülijuhtidel täiuslik diamagnetism või superdiamagnetism. See tähendab, et kogu magnetväli on nende sees väga nullilähedane, pinnast suurel kaugusel sissepoole. Magnetiline tundlikkus -1.

Diamagnetismi defineerib materjali spontaanse magnetiseerumise tekitamine, mis on täpselt vastupidine väliselt rakendatud magnetvälja suunale, kuid ülijuhtide ja tavaliste materjalide diamagnetismi algpõhjus on väga erinev.

Tavalistes materjalides tekib diamagnetism välise magnetvälja rakendamisel elektronide elektromagnetiliselt indutseeritud orbiidi ümber aatomituumade pöörlemise otsese tulemusena. Ülijuhtides tekib täiusliku diamagnetismi illusioon pidevate varjestusvoolude tõttu, mis voolavad vastu rakendatud välja (Meissneri efekt ise), mitte ainult orbiidi spinni tõttu.

Meissneri efekti avastamine viis 1935. aastal Fritzi ja Heinz Londoni ülijuhtivuse fenomenoloogilise teooriani. See teooria seletab vastupanu ja Meissneri efekti kadumist. See võimaldas meil teha esimesed teoreetilised ennustused ülijuhtivuse kohta.

See teooria selgitab aga ainult eksperimentaalseid vaatlusi, kuid ei võimalda tuvastada ülijuhtivate omaduste makroskoopilist päritolu.Seda õnnestus hiljem, 1957. aastal, Bardeen-Cooper-Schrieferi teooria abil, millest tuleneb nii läbitungimissügavus kui ka Meissneri efekt. Mõned füüsikud aga väidavad, et Bardeen-Cooper-Schriefferi teooria ei seleta Meissneri efekti.

Meissneri efekti rakendatakse järgmise põhimõtte kohaselt. Kui ülijuhtiva materjali temperatuur läbib kriitilist väärtust, muutub seda ümbritsev magnetväli järsult, mille tulemusena tekib sellise materjali ümber keritud mähises EMF-impulss. Ja kui juhtpooli vool muutub, saab kontrollida materjali magnetilist olekut. Seda nähtust kasutatakse ülinõrkade magnetväljade mõõtmiseks spetsiaalsete andurite abil.

Krüotron on Meissneri efektil põhinev lülitusseade. Struktuurselt koosneb see kahest ülijuhist. Niobiummähis on keritud ümber tantaalvarda, mille kaudu voolab juhtvool.

Juhtvoolu suurenedes suureneb magnetvälja tugevus ja tantaal läheb ülijuhtivast olekust tavaolekusse.Sellisel juhul muutuvad tantaaljuhtme juhtivus ja töövool juhtahelas mittelineaarselt viisil. Krüotronide baasil luuakse näiteks juhitavad ventiilid.