Meissner etkisi ve kullanımı

Meissner etkisi veya Meissner-Oxenfeld etkisi, süper iletken duruma geçişi sırasında süper iletkenin kütlesinden bir manyetik alanın yer değiştirmesinden oluşur. Bu fenomen, 1933'te, süper iletken kalay ve kurşun örneklerinin dışındaki manyetik alanın dağılımını ölçen Alman fizikçiler Walter Meissner ve Robert Oxenfeld tarafından keşfedildi.

Walter Meissner

Deneyde, süper iletkenler, uygulanan bir manyetik alanın varlığında, numunelerin iç manyetik alanlarının neredeyse tamamı sıfırlanana kadar süper iletken geçiş sıcaklıklarının altına soğutuldu. Etki, bilim adamları tarafından yalnızca dolaylı olarak tespit edildi, çünkü süper iletkenin manyetik akısı korunur: numunenin içindeki manyetik alan azaldığında, dış manyetik alan artar.

Böylece, deney ilk kez süper iletkenlerin sadece ideal iletkenler olmadığını, aynı zamanda süper iletken durumun benzersiz bir tanımlayıcı özelliğini gösterdiğini açıkça gösterdi.Manyetik alanı kaydırma yeteneği, süperiletkenin birim hücresi içindeki nötrleştirme ile oluşan dengenin doğası tarafından belirlenir.

Manyetik alanı çok az olan veya hiç olmayan bir süper iletkenin Meissner durumunda olduğu söylenir. Ancak uygulanan manyetik alan çok güçlü olduğunda Meissner durumu bozulur.

Burada, süper iletkenlerin bu ihlalin nasıl meydana geldiğine bağlı olarak iki sınıfa ayrılabileceğini belirtmekte fayda var: Birinci tip süper iletkenlerde, uygulanan manyetik alanın gücü Hc kritik değerinden daha yüksek olduğunda süper iletkenlik aniden ihlal edilir.

Numunenin geometrisine bağlı olarak, manyetik alanın olmadığı süperiletken malzeme bölgeleriyle karıştırılmış bir manyetik alan taşıyan normal malzeme bölgelerinin zarif modeline benzer bir ara durum elde edilebilir.

Tip II süper iletkenlerde, uygulanan manyetik alan kuvvetinin ilk kritik değer olan Hc1'e yükseltilmesi, malzemeye giderek daha fazla manyetik akının girdiği, ancak elektrik akımına karşı direncin olmadığı karışık bir duruma (vorteks durumu olarak da bilinir) yol açar. bu akım çok yüksek olmadığı sürece.

İkinci kritik güç Hc2 değerinde, süperiletkenlik durumu yok edilir. Karışık duruma, süperakışkan bir elektron sıvısındaki girdaplar neden olur ve bu girdaplar tarafından taşınan akı kuantize edildiğinden bazen akılar (manyetik akının akı-kuantumu) olarak adlandırılır.

Niyobyum ve karbon nanotüpler dışındaki en saf elemental süperiletkenler birinci tipteyken, neredeyse tüm safsızlıklar ve karmaşık süperiletkenler ikinci tiptedir.

Fenomenolojik olarak, Meissner etkisi, bir süperiletkenin elektromanyetik serbest enerjisinin şu koşul altında en aza indirildiğini gösteren Fritz ve Heinz London kardeşler tarafından açıklandı:

Bu koşul Londra denklemi olarak adlandırılır. Bir süperiletkendeki manyetik alanın, yüzeydeki değeri ne olursa olsun katlanarak azaldığını tahmin etti.

Zayıf bir manyetik alan uygulanırsa, süper iletken neredeyse tüm manyetik akının yerini alır. Bunun nedeni, elektrik akımlarının yüzeyinin yakınında görünmesidir.Yüzey akımlarının manyetik alanı, uygulanan manyetik alanı süperiletkenin hacmi içinde nötralize eder. Alanın yer değiştirmesi veya bastırılması zamanla değişmediği için bu etkiyi oluşturan akımların (doğru akımlar) zamanla azalmadığı anlamına gelir.

Numunenin yüzeyinin yakınında, Londra derinliği içinde, manyetik alan tamamen yok değildir. Her süper iletken malzemenin kendi manyetik penetrasyon derinliği vardır.

Herhangi bir mükemmel iletken, sıfır dirençte normal elektromanyetik indüksiyon nedeniyle yüzeyinden geçen manyetik akıdaki herhangi bir değişikliği önleyecektir. Ancak Meissner etkisi bu fenomenden farklıdır.

Geleneksel bir iletken, kalıcı olarak uygulanan bir manyetik alan varlığında süper iletken bir duruma soğutulduğunda, bu geçiş sırasında manyetik akı dışarı atılır. Bu etki sonsuz iletkenlikle açıklanamaz.

Bir mıknatısın zaten süper iletken bir malzeme üzerine yerleştirilmesi ve ardından havaya kaldırılması Meissner etkisini göstermezken, Meissner etkisi, başlangıçta sabit olan mıknatıs daha sonra süper iletken tarafından kritik bir sıcaklığa kadar soğutulursa itilirse sergilenir.

Meissner durumunda, süperiletkenler mükemmel diamanyetizma veya süperdiamanyetizma sergiler. Bu, toplam manyetik alanın içlerinde sıfıra çok yakın, yüzeyden içe doğru büyük bir mesafe olduğu anlamına gelir. Manyetik duyarlılık -1.

Diyamanyetizma, bir malzemenin harici olarak uygulanan bir manyetik alanın yönünün tam tersi olan kendiliğinden mıknatıslanmasının üretilmesi olarak tanımlanır.Fakat süperiletkenlerde ve normal malzemelerde diyamanyetizmanın temel kaynağı çok farklıdır.

Sıradan malzemelerde, diamanyetizma, harici bir manyetik alan uygulandığında elektronların atom çekirdeği etrafında elektromanyetik olarak indüklenen yörüngesel dönüşünün doğrudan bir sonucu olarak ortaya çıkar. Süperiletkenlerde, mükemmel diamanyetizma yanılsaması, yalnızca yörünge dönüşü nedeniyle değil, uygulanan alana karşı akan sabit koruyucu akımlar nedeniyle ortaya çıkar (Meissner etkisinin kendisi).

Meissner etkisinin keşfi, 1935'te Fritz ve Heinz London tarafından fenomenolojik süperiletkenlik teorisine yol açtı. Bu teori, direncin ortadan kalkmasını ve Meissner etkisini açıklar. Bu, süperiletkenlik hakkında ilk teorik tahminleri yapmamızı sağladı.

Bununla birlikte, bu teori yalnızca deneysel gözlemleri açıklar, ancak süper iletken özelliklerin makroskopik kökeninin tanımlanmasına izin vermez.Bu, daha sonra, 1957'de, hem penetrasyon derinliğinin hem de Meissner etkisinin izlediği Bardeen-Cooper-Schriefer teorisi tarafından başarılı bir şekilde yapıldı. Ancak bazı fizikçiler Bardeen-Cooper-Schrieffer teorisinin Meissner etkisini açıklamadığını öne sürüyorlar.

Meissner etkisi aşağıdaki prensibe göre uygulanır. Süperiletken bir malzemenin sıcaklığı kritik bir değerden geçtiğinde, etrafındaki manyetik alan aniden değişir ve bu tür bir malzemenin etrafına sarılan bobinde bir EMF darbesinin oluşmasıyla sonuçlanır. Kontrol bobininin akımı değiştiğinde, malzemenin manyetik durumu kontrol edilebilir. Bu fenomen, özel sensörler kullanarak ultra zayıf manyetik alanları ölçmek için kullanılır.

Bir kriyotron, Meissner etkisine dayalı bir anahtarlama cihazıdır. Yapısal olarak iki süper iletkenden oluşur. Bir niyobyum bobini, içinden bir kontrol akımının aktığı bir tantal çubuğun etrafına sarılır.

Kontrol akımı arttıkça, manyetik alanın gücü artar ve tantal süper iletken durumdan normal duruma geçer.Bu durumda, tantal telin iletkenliği ve kontrol devresindeki çalışma akımı doğrusal olmayan bir şekilde değişir. biçim. Örneğin, kriyotron temelinde kontrollü valfler oluşturulur.