마이스너 효과

마이스너 효과의 다이어그램입니다.화살표로 표시되는 자기장 선은 임계 온도보다 낮을 때 초전도체에서 제외됩니다.

마이스너 효과(Meissner-Ochsenfeld 효과)는 임계 온도 이하로 냉각될 때 초전도 상태로 전환되는 동안 자기장이 초전도체에서 제외되는 현상을 말합니다.이 배출은 근처의 자석을 밀어낼 것이다.

독일의 물리학자 발터 마이스너와 로버트 오흐센펠트는^[1] 1933년 초전도 주석과 납 ^[2]샘플 외부의 자기장 분포를 측정하여 이 현상을 발견했다.적용된 자기장의 존재 하에서 샘플은 초전도 전이 온도 이하로 냉각되었고, 이에 따라 샘플은 거의 모든 내부 자기장을 상쇄했습니다.그들은 자속이 초전도체에 의해 보존되기 때문에 간접적으로만 이러한 효과를 감지했습니다. 즉, 내부장이 감소하면 외부장이 증가합니다.이 실험은 초전도체가 단순한 완벽한 도체 이상이며 초전도체 상태의 독특한 특성을 제공한다는 것을 처음으로 증명했다.방출 효과의 능력은 초전도체의 단위 셀 내에서 중성화에 의해 형성된 평형의 특성에 의해 결정됩니다.

자기장이 거의 없거나 아예 없는 초전도체는 마이스너 상태라고 한다.인가된 자기장이 너무 강하면 마이스너 상태가 무너집니다.초전도체는 이 붕괴가 어떻게 일어나는지에 따라 두 종류로 나눌 수 있다.

제1종 초전도체는 인가 전계의 강도가 임계치_c H 이상으로 상승하면 초전도성이 갑자기 파괴된다.시료의 형상에 따라서는 자기장을 가진 정상물질 영역과 필드를 포함하지 않는 초전도물질 영역이 혼합된 바로크^[4] 패턴으로 이루어진 중간 상태를^[3] 얻을 수 있다.

타입 II 초전도체에서는 인가된 자기장을 임계치_c1 H를 넘어 올리면 혼합상태(볼텍스상태라고도 함)로 이어지며, 자속이 물질을 침투하지만 전류가 너무 크지 않은 한 전류에 대한 저항은 남아 있지 않습니다.두 번째 임계 전계 강도_c2 H에서는 초전도성이 파괴된다.혼합 상태는 전자 초유체 내의 소용돌이에 의해 발생하는데, 이러한 소용돌이에 의해 운반되는 유속이 양자화되기 때문에 플럭슨이라고 불리기도 합니다.니오브와 카본 나노튜브를 제외한 대부분의 순수한 원소 초전도체는 I형이고, 반면 거의 모든 불순물과 복합 초전도체는 II형이다.

설명.

마이스너 효과는 프리츠와 하인츠 런던 형제에 의해 현상학적 설명을 제공받았는데, 그는 초전도체에서의 전자 자유 에너지가 최소화된다는 것을 보여주었다.

\displayla ^{2}\mathbf {H} =\displayda ^{-2}\mathbf {H}

여기서 H는 자기장, θ는 런던 침투 깊이입니다.

런던 방정식으로 알려진 이 방정식은 초전도체의 자기장이 표면에 있는 어떤 값에서든 기하급수적으로 감소한다고 예측한다.이러한 자기장의 배제는 예를 들어 온도를 임계 온도 이하로 낮추면서 도체에서 초전도체로 상전이 진행되는 동안 나타난 초자성의 징후입니다.

약한 인가장(초전도상을 분해하는 임계장보다 작음)에서는 자기장 H가 표면에서 런던 투과 깊이 내의 자화 M을 유도하기 때문에 초전도체는 표면 근처에 전류를 설정함으로써 거의 모든 자속을 방출한다.이러한 표면 전류는 외부 인가장으로부터 초전도체의 내부 부피를 보호합니다.필드 배출 또는 취소는 시간에 따라 변화하지 않으므로 이 효과를 발생시키는 전류(영속 전류 또는 선별 전류라고 함)는 시간에 따라 붕괴되지 않습니다.

표면 근처, 런던 침투 깊이 내에서는 자기장이 완전히 취소되지 않습니다.각 초전도 재료는 고유한 침투 깊이를 가지고 있습니다.

어떤 완벽한 도체라도 저항이 0일 때 일반적인 전자기 유도로 인해 표면을 통과하는 자속의 변화를 막을 수 있습니다.그러나 마이스너 효과는 이와는 다르다.일반 도체가 일정한 인가 자기장의 존재 하에서 초전도 상태로 이행하도록 냉각되면 이행 중에 자속이 방출된다.이 효과는 무한 전도성으로 설명할 수 없고 런던 방정식으로만 설명할 수 있습니다.이미 초전도 물질 위에 자석을 배치하고 그 후에 부상시키는 것은 마이스너 효과를 보여주지 않지만, 초기 정지 자석은 임계 온도 이하로 냉각되면서 나중에 초전도체에 의해 반발됩니다.

자기장을 쫓아내기 위해 초전도체에 존재하는 지속적인 전류는 일반적으로 렌츠의 법칙이나 패러데이의 법칙의 결과로 잘못 인식됩니다.그렇지 않은 이유는 전류를 유도하기 위한 플럭스의 변화가 없었기 때문입니다.또 다른 설명은 초전도체의 저항이 0이기 때문에 초전도체에 유도 전자파가 있을 수 없다는 것이다.그러므로 지속적인 전류는 패러데이의 법칙의 결과가 아닙니다.

완전 반자성

마이스너 상태에 있는 초전도체는 완벽한 반자성, 즉 초자성을 나타내며, 이는 전체 자기장이 그들 내부의 깊이 0에 매우 가깝다는 것을 의미합니다(표면으로부터의 많은 침투 깊이).즉, 체적 자화율은 $\chi _{v}$ v ${\displaystyle$ \ $chi _{$ v}} = $\chi _{v}$ -1입니다.반자성은 인가장 방향에 직접 반하는 물질의 자발적 자화 발생에 의해 정의된다.하지만, 초전도체와 일반 물질에서 반자성의 근본적인 기원은 매우 다르다.정상 재료에서 반자성은 인가장의 적용에 의해 전자기적으로 유도되는 원자의 핵에 대한 전자의 궤도 스핀의 직접적인 결과로 발생한다.초전도체에서는 완전한 반자성의 착시현상은 궤도 스핀뿐만 아니라 인가된 장에 반대하여 흐르는 지속적인 스크리닝 전류(마이스너 효과)에서 발생한다.

결과들

마이스너 효과의 발견은 프리츠와 하인츠 런던에 의해 1935년에 초전도 현상의 이론으로 이어졌다.이 이론은 저항 없는 수송과 마이스너 효과를 설명했고, 초전도성에 대한 최초의 이론적 예측을 가능하게 했다.그러나, 이 이론은 실험적인 관찰만을 설명했을 뿐, 초전도 성질의 미세한 기원을 확인할 수 없었다.이것은 1957년 BCS 이론에 의해 성공적으로 이루어졌고, 그 결과 ^[5]침투 깊이와 마이스너 효과가 나타났습니다.그러나 일부 물리학자들은 BCS 이론이 마이스너 ^[6]효과를 설명하지 못한다고 주장한다.

액체 헬륨으로 채워진 Dewar 플라스크 안에 있는 주석 실린더가 전자석의 극 사이에 놓여 있습니다.자기장은 약 8밀리텔라(80G)입니다.
T = 4.2 K, B = 8 mT (80 G).주석의 전도 상태는 정상입니다.나침반 바늘은 자속이 실린더에 침투했음을 나타냅니다.
실린더가 4.2K에서 1.6K로 냉각되었습니다.전자석의 전류는 일정하게 유지되었지만, 주석의 초전도 상태는 약 3K입니다. 자속이 실린더에서 배출되었습니다(마이스너 효과).

힉스 메커니즘의 패러다임

마이스너 초전도 효과는 질량 M의 생성 메커니즘에 대한 중요한 패러다임으로 $작용$ 한다(즉, 역방향 범위 $δ$ M : $=$ / $\lambda _{M}:=h/(Mc)$ ( $M$ c ) $\lambda _{M}:=h/(Mc)$ (여기서 $\lambda _{M}:=h/(Mc)$ $\lambda _{M}:=h/(Mc)$ h는 플랑크 상수이고 c는 빛의 속도이다).사실, 이 비유는 고에너지 물리학에서 전기 약^±
W와
Z 게이지 입자의 질량을 생성하는 ^[7]힉스 메커니즘의 아벨적인 예입니다. $\lambda _{M}$ M $(\$ 은 $\lambda _{M}$ 초전도 ^[8]^[9]이론상 런던 투과 깊이와 동일하다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ "Meissner effect physics". Encyclopedia Britannica. Retrieved 22 April 2017.
^ Meissner, W.; Ochsenfeld, R. (1933). "Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit". Naturwissenschaften. 21 (44): 787–788. Bibcode:1933NW.....21..787M. doi:10.1007/BF01504252. S2CID 37842752.
^ Landau, L. D.; Lifschitz, E. M. (1984). Electrodynamics of Continuous Media. Course of Theoretical Physics. Vol. 8 (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-2634-8.
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추가 정보

Einstein, A. (1922). "Theoretical remark on the superconductivity of metals". arXiv:physics/0510251.
London, F. W. (1960). "Macroscopic Theory of Superconductivity". Superfluids. Structure of matter series. Vol. 1 (Revised 2nd ed.). Dover. ISBN 978-0-486-60044-4. 마이스너 효과를 설명한 사람에 의해. 페이지 34-37은 초전도 구체의 마이스너 효과에 대한 기술적인 논의를 한다.
Saslow, W. M. (2002). Electricity, Magnetism, and Light. Academic. ISBN 978-0-12-619455-5. 페이지 486–489는 초전도 평면 위에 떠 있는 긴 자석의 경우 마이스너 효과를 담당하는 표면 전류에 대한 간단한 수학적인 논의를 제공한다.
Tinkham, M. (2004). Introduction to Superconductivity. Dover Books on Physics (2nd ed.). Dover. ISBN 978-0-486-43503-9. 좋은 기술 레퍼런스입니다.

외부 링크

국립 고자기장 연구소의 Maglev Trains 오디오 슬라이드쇼에서는 자기 부상, 마이스너 효과, 자속 트래핑 및 초전도성에 대해 설명합니다.
마이스너 효과 (처음부터 과학) 임페리얼 칼리지 런던의 짧은 비디오로 마이스너 효과와 미래의 열차를 공중 부양하는 것에 대한 것입니다.
제1종 초전도체에 대한 초전도 비디오 소개: R = 0/전이 온도/B는 상태 변수/마이스너 효과/에너지 갭(Giaver)/BCS 모델입니다.
마이스너 효과(하이퍼물리학)
마이스너 효과의 역사적 배경

[1] "Meissner effect physics". Encyclopedia Britannica. Retrieved 22 April 2017.

[meissner1-2] Meissner, W.; Ochsenfeld, R. (1933). "Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit". Naturwissenschaften. 21 (44): 787–788. Bibcode:1933NW.....21..787M. doi:10.1007/BF01504252. S2CID 37842752.

[3] Landau, L. D.; Lifschitz, E. M. (1984). Electrodynamics of Continuous Media. Course of Theoretical Physics. Vol. 8 (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-2634-8.

[4] Callaway, D. J. E. (1990). "On the remarkable structure of the superconducting intermediate state". Nuclear Physics B. 344 (3): 627–645. Bibcode:1990NuPhB.344..627C. doi:10.1016/0550-3213(90)90672-Z.

[5] Bardeen, J.; Cooper, L. N.; Schrieffer, J. R. (1957). "Theory of superconductivity". Physical Review. 106 (1175): 162–164. Bibcode:1957PhRv..106..162B. doi:10.1103/physrev.106.162.

[6] Hirsch, J. E. (2012). "The origin of the Meissner effect in new and old superconductors". Physica Scripta. 85 (3): 035704. arXiv:1201.0139. Bibcode:2012PhyS...85c5704H. doi:10.1088/0031-8949/85/03/035704. S2CID 118418121.

[7] Higgs, P. W. (1966). "Spontaneous symmetry breakdown without massless bosons". Physical Review. 145 (4): 1156–1163. Bibcode:1966PhRv..145.1156H. doi:10.1103/PhysRev.145.1156.

[8] Wilczek, F. (2000). "The recent excitement in high-density QCD". Nuclear Physics A. 663: 257–271. arXiv:hep-ph/9908480. Bibcode:2000NuPhA.663..257W. doi:10.1016/S0375-9474(99)00601-6. S2CID 119354272.

[9] Weinberg, S. (1986). "Superconductivity for particular theorists". Progress of Theoretical Physics Supplement. 86: 43–53. Bibcode:1986PThPS..86...43W. doi:10.1143/PTPS.86.43.

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