אפקט מייסנר והשימוש בו

אפקט מייסנר או אפקט מייסנר-אוקסנפלד מורכב מעקירה של שדה מגנטי מחלק הארי של מוליך העל במהלך המעבר שלו למצב מוליך. תופעה זו התגלתה ב-1933 על ידי הפיזיקאים הגרמנים וולטר מייסנר ורוברט אוקסנפלד, אשר מדדו את התפלגות השדה המגנטי מחוץ לדגימות מוליכות-על של בדיל ועופרת.

וולטר מייסנר

בניסוי, מוליכים-על, בנוכחות שדה מגנטי מופעל, מקוררו מתחת לטמפרטורת המעבר המוליכים שלהם עד שכמעט כל השדה המגנטי הפנימי של הדגימות אופס. ההשפעה זוהתה על ידי מדענים רק בעקיפין, מכיוון שהשטף המגנטי של מוליך העל נשמר: כאשר השדה המגנטי בתוך המדגם פוחת, השדה המגנטי החיצוני גדל.

לפיכך, הניסוי הראה בבירור לראשונה שמוליכי-על הם לא רק מוליכים אידיאליים, אלא גם מדגימים תכונה מגדירה ייחודית של המצב המוליך.היכולת להזיז את השדה המגנטי נקבעת על פי אופי שיווי המשקל הנוצר מנטרול בתוך תא היחידה של המוליך העל.

מוליך-על עם שדה מגנטי מועט או ללא שדה מגנטי נחשב במצב מייסנר. אבל מצב מייסנר מתקלקל כאשר השדה המגנטי המופעל חזק מדי.

ראוי לציין כאן שניתן לחלק את המוליכים לשתי מחלקות בהתאם לאופן שבו מתרחשת הפרה זו. במוליכי-על מהסוג הראשון, מוליכות-על מופרת בפתאומיות כאשר עוצמת השדה המגנטי המופעל עולה על הערך הקריטי Hc .

בהתאם לגיאומטריה של המדגם, ניתן לקבל מצב ביניים, בדומה לתבנית המעולה של אזורים של חומר רגיל הנושאים שדה מגנטי מעורבב עם אזורים של חומר מוליך-על שבהם אין שדה מגנטי.

במוליכי-על מסוג II, הגדלת עוצמת השדה המגנטי המופעל לערך הקריטי הראשון Hc1 מובילה למצב מעורב (הידוע גם כמצב מערבולת), שבו יותר ויותר שטף מגנטי חודר לחומר, אך אין התנגדות לזרם חשמלי. אלא אם זרם זה אינו גבוה מדי.

בערך של החוזק הקריטי השני Hc2 המצב המוליך מושמד. המצב המעורב נגרם על ידי מערבולות בנוזל אלקטרונים סופר-נוזל, הנקראים לפעמים שטופים (פלוקסון-קוואנטום של שטף מגנטי) מכיוון שהשטף הנישא על ידי מערבולות אלו מקומת.

המוליכים היסודיים הטהורים ביותר, למעט ננו-צינוריות ניוביום ופחמן, הם מהסוג הראשון, בעוד שכמעט כל הלכלוכים ומוליכי-על מורכבים הם מהסוג השני.

מבחינה פנומנולוגית, אפקט מייסנר הוסבר על ידי האחים פריץ והיינץ לונדון, שהראו כי האנרגיה האלקטרומגנטית החופשית של מוליך-על ממוזערת בתנאי:

מצב זה נקרא משוואת לונדון. הוא חזה שהשדה המגנטי במוליך מתכלה באופן אקספוננציאלי מכל ערך שיש לו על פני השטח.

אם מופעל שדה מגנטי חלש, מוליך העל מחליף כמעט את כל השטף המגנטי. הסיבה לכך היא הופעת זרמים חשמליים ליד פני השטח שלו.השדה המגנטי של זרמי השטח מנטרל את השדה המגנטי המופעל בתוך נפח המוליך. כיוון שהתזוזה או הדיכוי של השדה לא משתנה עם הזמן, המשמעות היא שהזרמים היוצרים אפקט זה (זרמים ישירים) אינם מתפוררים עם הזמן.

ליד פני השטח של המדגם, בעומק לונדון, השדה המגנטי אינו נעדר לחלוטין. לכל חומר מוליך-על יש עומק חדירה מגנטי משלו.

כל מוליך מושלם ימנע כל שינוי בשטף המגנטי העובר דרך פני השטח שלו עקב אינדוקציה אלקטרומגנטית רגילה בהתנגדות אפסית. אבל אפקט מייסנר שונה מהתופעה הזו.

כאשר מוליך קונבנציונלי מקורר למצב מוליך על בנוכחות שדה מגנטי המופעל באופן קבוע, השטף המגנטי נזרק החוצה במהלך המעבר הזה. השפעה זו אינה ניתנת להסבר על ידי מוליכות אינסופית.

המיקום והריחוף שלאחר מכן של מגנט על חומר שכבר מוליך-על אינו מציג את אפקט מייסנר, ואילו אפקט מייסנר מוצג אם המגנט הנייח בתחילה נדחה מאוחר יותר על ידי המוליך שמקורר לטמפרטורה קריטית.

במצב מייסנר, מוליכים מפגינים דיאמגנטיות מושלמת או דיאמגנטיות על. המשמעות היא שהשדה המגנטי הכולל קרוב מאוד לאפס עמוק בתוכם, מרחק גדול פנימה מפני השטח. רגישות מגנטית -1.

דיאמגנטיות מוגדרת ע"י יצירת מגנטיזציה ספונטנית של חומר הפוכה בדיוק לכיוון של שדה מגנטי המופעל מבחוץ. אבל המקור הבסיסי של דיאמגנטיות במוליכי-על ובחומרים רגילים שונה מאוד.

בחומרים רגילים, דיאמגנטיות מתרחשת כתוצאה ישירה מסיבוב מסלולי המושרה אלקטרומגנטית של אלקטרונים סביב גרעיני אטום כאשר מופעל שדה מגנטי חיצוני. במוליכי-על, האשליה של דיאמגנטיות מושלמת מתעוררת בגלל זרמי מיגון קבועים הזורמים כנגד השדה המופעל (אפקט מייסנר עצמו), לא רק בגלל ספין מסלולי.

גילוי אפקט מייסנר הוביל ב-1935 לתיאוריה הפנומנולוגית של מוליכות-על של פריץ והיינץ לונדון. תיאוריה זו מסבירה את היעלמות ההתנגדות ואת אפקט מייסנר. זה איפשר לנו ליצור את התחזיות התיאורטיות הראשונות לגבי מוליכות-על.

עם זאת, תיאוריה זו רק מסבירה את התצפיות הניסיוניות, אך אינה מאפשרת זיהוי המקור המקרוסקופי של תכונות המוליכות העל.זה נעשה בהצלחה מאוחר יותר, ב-1957, על ידי תיאוריית ברדין-קופר-שריפר, שממנה נובעים גם עומק החדירה וגם אפקט מייסנר. עם זאת, כמה פיזיקאים טוענים שתיאוריית ברדין-קופר-שריפר אינה מסבירה את אפקט מייסנר.

אפקט מייסנר מיושם על פי העיקרון הבא. כאשר הטמפרטורה של חומר מוליך-על עוברת דרך ערך קריטי, השדה המגנטי סביבו משתנה בפתאומיות, וכתוצאה מכך נוצרת דופק EMF בסליל המתפתל סביב חומר כזה. וכאשר הזרם של סליל הבקרה משתנה, ניתן לשלוט במצב המגנטי של החומר. תופעה זו משמשת למדידת שדות מגנטיים חלשים במיוחד באמצעות חיישנים מיוחדים.

קריוטרון הוא מכשיר מיתוג המבוסס על אפקט מייסנר. מבחינה מבנית, הוא מורכב משני מוליכים. סליל ניוביום כרוך סביב מוט טנטלום שדרכו זורם זרם בקרה.

ככל שזרם הבקרה עולה, עוצמת השדה המגנטי עולה והטנטלום עובר ממצב מוליך-על למצב רגיל.במקרה זה, מוליכות חוט הטנטלום וזרם הפעולה במעגל הבקרה משתנים בצורה לא ליניארית דֶרֶך. על בסיס קריוטרונים, למשל, נוצרים שסתומים מבוקרים.