Φαινόμενο Μάισνερ

Το φαινόμενο Μάισνερ (Meissner effect) είναι η απώθηση ενός μαγνητικού πεδίου από έναν υπεραγωγό κατά τη διάρκεια της μετάβασής του στην υπεραγώγιμη κατάσταση. Οι Γερμανοί φυσικοί Βάλτερ Μάισνερ και Ρόμπερτ Όξενφελντ (Robert Ochsenfeld) ανακάλυψαν αυτό το φαινόμενο το 1933 μετρώντας την κατανομή του μαγνητικού πεδίου έξω από υπεραγώγιμα δείγματα κασσιτέρου και μολύβδου. Τα δείγματα, παρουσία εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου, ψύχθηκαν κάτω από την θερμοκρασία μετάβασης σε υπεραγώγιμη κατάστασή. Κάτω από τη θερμοκρασία μετάβασης τα δείγματα αναίρεσαν σχεδόν όλα τα εσωτερικά μαγνητικά πεδία. Ανίχνευσαν αυτό το φαινόμενο μόνο έμμεσα, επειδή η μαγνητική ροή διατηρείται από έναν υπεραγωγό: όταν το εσωτερικό πεδίο μειώνεται, το εξωτερικό πεδίο αυξάνεται. Το πείραμα απέδειξε για πρώτη φορά ότι οι υπεραγωγοί ήταν παραπάνω από απλώς τέλειους αγωγούς και έδωσε μια μοναδικά καθορισμένη ιδιότητα της υπεραγώγιμης κατάστασης.
Ένας υπεραγωγός με μικρό ή καθόλου μαγνητικό πεδίο μέσα του λέγεται ότι είναι στην κατάσταση Μάισνερ. Η κατάσταση Μάισνερ παύει όταν το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο είναι πολύ μεγάλο. Οι υπεραγωγοί μπορούν να διαιρεθούν σε δύο τάξεις ανάλογα με το πώς συμβαίνει αυτή η κατάρρευση. Στους υπεραγωγούς τύπου I, η υπεραγωγιμότητα καταστρέφεται απότομα, όταν η ένταση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου αυξάνεται πάνω από μια κρίσιμη τιμή Hc. Ανάλογα με τη γεωμετρία του δείγματος, μπορεί να ληφθεί μια ενδιάμεση κατάσταση, που αποτελείται από ένα μοτίβο μπαρόκ περιοχών από κανονικό υλικό που φέρει ένα μαγνητικό πεδίο ανάμεικτο με περιοχές υπεραγώγιμου υλικού που δεν περιέχει πεδίο. Στον τύπο II υπεραγωγών, όταν η αύξηση του εφαρμοζόμενου πεδίου ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή Hc₁ οδηγεί σε μια μικτή κατάσταση (γνωστή επίσης ως κατάσταση περιδίνησης) στην οποία μια αυξανόμενη ποσότητα μαγνητικής ροής διεισδύει στο υλικό, αλλά εκεί δεν παραμένει καθόλου αντίσταση στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος όσο το ρεύμα δεν είναι πολύ μεγάλο. Σε μια δεύτερη κρίσιμη ένταση πεδίου Hc₂, η υπεραγωγιμότητα καταστρέφεται. Η μικτή κατάσταση στην πραγματικότητα προκαλείται από περιδινήσεις στο ηλεκτρονικό υπερρευστό. Οι περισσότεροι υπεραγωγοί καθαρών στοιχείων, εκτός από το νιόβιο και τους νανοσωλήνες άνθρακα, είναι Τύπου I, ενώ σχεδόν όλα τα μη καθαρά στοιχεία και οι ενώσεις των υπεραγωγών είναι Τύπου II.

Τέλειος διαμαγνητισμός

Οι υπεραγωγοί στην κατάσταση Μάισνερ επιδεικνύουν τέλειο διαμαγνητισμό, ή υπερδιαμαγνητισμό, που σημαίνει ότι το ολικό μαγνητικό πεδίο είναι πολύ κοντά σε μηδενικό βάθος μέσα τους (πολλά βάθη διείσδυσης από την επιφάνεια). Αυτό σημαίνει ότι η μαγνητική επιδεκτικότητα τους,  = −1. Τα διαμαγνητικά υλικά ορίζονται από τη δημιουργία αυθόρμητης μαγνήτισης ενός υλικού που αντιτίθεται ευθέως στην κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου πεδίου. Όμως, οι βασικές πηγές του διαμαγνητισμού στους υπεραγωγούς και σε κανονικά υλικά είναι πολύ διαφορετικές. Στα κανονικά υλικά ο διαμαγνητισμός προκύπτει ως άμεσο αποτέλεσμα του τροχιακού σπιν των ηλεκτρονίων γύρω από τους πυρήνες ενός ατόμου που επάγεται ηλεκτρομαγνητικά από ένα εφαρμοζόμενο πεδίο. Στους υπεραγωγούς η αυταπάτη του τέλειου διαμαγνητισμού προκύπτει από τα παραμένοντα ρεύματα θωράκισης που ρέουν αντίθετα από το εφαρμοζόμενο πεδίο (φαινόμενο Μάισνερ)· όχι απλώς το τροχιακό σπιν.

Συνέπειες

Η ανακάλυψη του φαινομένου Μάισνερ οδήγησε στην φαινομενολογική θεωρία της αγωγιμότητας από τους Φριτζ και Χάιντζ Λόντον το 1935. Αυτή η θεωρία ερμήνευε την μεταφορά χωρίς αντίσταση και το φαινόμενο Μάισνερ, και επέτρεψε να γίνουν οι πρώτες θεωρητικές προβλέψεις για την υπεραγωγιμότητα. Όμως, αυτή η θεωρία ερμήνευε μόνο πειραματικές παρατηρήσεις—δεν επέτρεψε την ταυτοποίηση της μικροσκοπικής προέλευσης των υπεραγώγιμων ιδιοτήτων. Αυτό έγινε με επιτυχία από τη θεωρία BCS το 1957, από την οποία προκύπτει το βάθος διείσδυσης και το φαινόμενο Μάισνερ. Όμως, κάποιοι φυσικοί υποστηρίζουν ότι η θεωρία BCS δεν ερμηνεύει το φαινόμενο Μάισνερ.

Παράδειγμα για τον μηχανισμό Χιγκς

Το φαινόμενο υπεραγωγιμότητας Μάισνερ χρησιμεύει ως ένα σημαντικό παράδειγμα για τη δημιουργία μηχανισμού μάζας M (δηλαδή μιας αντίστοιχης περιοχής,  όπου h είναι η σταθερά του Πλανκ και c είναι η ταχύτητα του φωτός) για ένα βαθμωτό πεδίο (gauge field). Στην πραγματικότητα, αυτή η αναλογία είναι ένα αβελιανό παράδειγμα για τον μηχανισμό Χιγκς, μέσω του οποίου στη σωματιδιακή φυσική δημιουργούνται οι μάζες των ηλεκτρασθενών σωματιδίων βαθμίδας, W και Z μποζονίων. Το μήκος  είναι ταυτόσημο με το βάθος διείσδυσης Λόντον στη θεωρία της υπεραγωγιμότητας.