マイスナー効果とその利用

マイスナー効果またはマイスナー・オクセンフェルト効果は、超電導状態への遷移中に超電導体のバルクから磁場が移動することで構成されます。この現象は、1933 年にドイツの物理学者ウォルター マイスナーとロバート オクセンフェルドによって発見され、スズと鉛の超電導サンプルの外側の磁場の分布を測定しました。

ヴァルター・マイズナー

実験では、磁場の存在下で超伝導体を、サンプルの内部磁場がほぼすべてリセットされるまで超伝導転移温度以下に冷却しました。超伝導体の磁束は保存されるため、この効果は科学者によって間接的にのみ検出されました。サンプル内の磁場が減少すると、外部磁場が増加します。

したがって、この実験は、超電導体が理想的な電導体であるだけでなく、超電導状態の独特の定義特性も示していることを初めて明確に示しました。磁場を変化させる能力は、超伝導体の単位格子内の中和によって形成される平衡の性質によって決まります。

磁場がほとんどまたはまったくない超伝導体はマイスナー状態にあると言われます。しかし、印加磁場が強すぎるとマイスナー状態は崩れます。

ここで注目に値するのは、超電導体はこの違反がどのように発生するかに応じて 2 つのクラスに分類できることです。最初のタイプの超電導体では、印加磁場の強さが臨界値 Hc より高くなると、超電導性が突然違反します。

サンプルの形状に応じて、磁場が存在する通常の材料の領域と磁場のない超伝導材料の領域が混在する絶妙なパターンに似た中間状態が得られます。

II 型超電導体では、印加磁場の強さを最初の臨界値 Hc1 まで増加させると、混合状態 (渦状態とも呼ばれます) が生じ、より多くの磁束が材料を貫通しますが、電流に対する抵抗はなくなります。この電流が高すぎない限り。

第 2 臨界強度 Hc2 の値で、超電導状態は破壊されます。混合状態は超流動電子流体内の渦によって引き起こされ、これらの渦によって運ばれる磁束が量子化されているため、フラクソン（磁束のフラクソン量子）と呼ばれることもあります。

ニオブとカーボン ナノチューブを除いて、最も純粋な元素超伝導体は最初のタイプに属しますが、ほとんどすべての不純物と複雑な超伝導体は 2 番目のタイプに属します。

現象学的には、マイスナー効果はフリッツとハインツのロンドン兄弟によって説明され、超伝導体の電磁自由エネルギーは次の条件下で最小化されることを示しました。

この条件はロンドンの方程式と呼ばれます。彼は、超伝導体の磁場は、表面での磁場がどのような値であっても指数関数的に減衰すると予測しました。

弱い磁場が印加されると、超伝導体は磁束のほぼすべてを押しのけます。これは、超電導体の表面付近に電流が発生するためで、表面電流の磁場が超電導体の内部に印加された磁場を中和します。場の変位または抑制は時間の経過とともに変化しないため、これは、この効果を生み出す電流 (直流) が時間の経過とともに減衰しないことを意味します。

ロンドン深度内のサンプルの表面近くでは、磁場が完全に存在しないわけではありません。各超電導材料は独自の磁気侵入深さを持っています。

完全な導体は、抵抗ゼロでの通常の電磁誘導による表面を通過する磁束の変化を防ぎます。しかし、マイスナー効果はこの現象とは異なります。

従来の導体が永久磁場の存在下で超電導状態に冷却されると、この遷移中に磁束が放出されます。この効果は無限の導電率では説明できません。

すでに超電導材料上に磁石を配置し、その後浮上させるとマイスナー効果は現れませんが、最初は静止していた磁石が後に臨界温度まで冷却された超電導体によって反発されるとマイスナー効果が現れます。

マイスナー状態では、超伝導体は完全な反磁性または超反磁性を示します。これは、表面からかなり内側にあるそれらの深部では、総磁場がゼロに非常に近いことを意味します。磁化率 -1。

反磁性は、外部から加えられた磁場の方向と正反対の材料の自発磁化の生成によって定義されますが、超伝導体と通常の材料における反磁性の基本的な起源は大きく異なります。

通常の材料では、外部磁場が印加されたときに、原子核の周りの電子の電磁誘導による軌道回転の直接の結果として反磁性が発生します。超伝導体では、完全な反磁性の錯覚は、軌道スピンのためだけでなく、印加磁場に逆らって流れる一定のシールド電流 (マイスナー効果自体) によって生じます。

マイスナー効果の発見は、1935 年にフリッツとハインツ ロンドンによる超伝導の現象学的理論につながりました。この理論は、抵抗の消失とマイスナー効果を説明します。これにより、超伝導に関する最初の理論的予測が可能になりました。

しかし、この理論は実験観察を説明するだけであり、超伝導特性の巨視的な起源の特定を可能にするものではありません。これはその後、1957 年にバーディーン・クーパー・シュリーファー理論によって成功裏に達成され、この理論から浸透深さとマイスナー効果の両方が導き出されました。しかし、一部の物理学者は、バーディーン・クーパー・シュリーファー理論ではマイスナー効果を説明できないと主張しています。

マイスナー効果は次の原理に従って適用されます。超電導材料の温度が臨界値を超えると、その周囲の磁場が急激に変化し、その結果、超電導材料の周囲に巻かれたコイル内にEMFパルスが発生します。そして、制御コイルの電流が変化すると、材料の磁気状態を制御することができます。この現象を利用して、特殊なセンサーを使用して超微弱な磁場を測定します。

クライオトロンはマイスナー効果に基づいたスイッチング装置です。構造的には2つの超伝導体から構成されています。タンタルロッドの周りにニオブコイルが巻かれており、制御電流が流れます。

制御電流が増加すると磁場の強さが増加し、タンタルが超電導状態から常電導状態に移行するとき、タンタル線の導電率と制御回路の動作電流は非線形に変化します。やり方。たとえば、クライオトロンに基づいて、制御されたバルブが作成されます。