Hiệu ứng Meissner và ứng dụng của nó

Hiệu ứng Meissner hay hiệu ứng Meissner-Oxenfeld bao gồm sự dịch chuyển của từ trường khỏi phần lớn chất siêu dẫn trong quá trình chuyển đổi của nó sang trạng thái siêu dẫn. Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1933 bởi các nhà vật lý người Đức Walter Meissner và Robert Oxenfeld, họ đã đo sự phân bố của từ trường bên ngoài các mẫu thiếc và chì siêu dẫn.

Walter Meissner

Trong thí nghiệm, các chất siêu dẫn, với sự có mặt của từ trường ứng dụng, được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn của chúng cho đến khi gần như toàn bộ từ trường bên trong của mẫu được thiết lập lại. Hiệu ứng này chỉ được các nhà khoa học phát hiện một cách gián tiếp, bởi vì từ thông của chất siêu dẫn được bảo toàn: khi từ trường bên trong mẫu giảm thì từ trường bên ngoài tăng.

Như vậy, thí nghiệm lần đầu tiên cho thấy rõ ràng rằng chất siêu dẫn không chỉ là chất dẫn điện lý tưởng mà còn thể hiện một tính chất xác định duy nhất của trạng thái siêu dẫn.Khả năng dịch chuyển từ trường được xác định bởi bản chất của trạng thái cân bằng được hình thành do sự trung hòa bên trong ô đơn vị của chất siêu dẫn.

Một chất siêu dẫn có ít hoặc không có từ trường được cho là ở trạng thái Meissner. Nhưng trạng thái Meissner bị phá vỡ khi từ trường tác dụng quá mạnh.

Điều đáng chú ý ở đây là chất siêu dẫn có thể được chia thành hai loại tùy thuộc vào cách vi phạm này xảy ra.Trong chất siêu dẫn loại thứ nhất, tính siêu dẫn bị vi phạm đột ngột khi cường độ của từ trường ứng dụng trở nên cao hơn giá trị tới hạn Hc .

Tùy thuộc vào hình dạng của mẫu, có thể thu được trạng thái trung gian, tương tự như mô hình tinh tế của các vùng vật liệu bình thường mang từ trường trộn lẫn với các vùng vật liệu siêu dẫn không có từ trường.

Trong chất siêu dẫn loại II, việc tăng cường độ từ trường ứng dụng lên giá trị tới hạn thứ nhất Hc1 dẫn đến trạng thái hỗn hợp (còn được gọi là trạng thái xoáy), trong đó ngày càng có nhiều từ thông xuyên qua vật liệu, nhưng không có điện trở đối với dòng điện trừ khi dòng điện này không quá cao.

Tại giá trị của cường độ tới hạn thứ hai Hc2, trạng thái siêu dẫn bị phá hủy. Trạng thái hỗn hợp được gây ra bởi các xoáy trong chất lỏng điện tử siêu lỏng, đôi khi được gọi là fluxon (thông lượng-lượng tử của từ thông) vì từ thông mang theo bởi các xoáy này bị lượng tử hóa.

Các chất siêu dẫn nguyên tố tinh khiết nhất, ngoại trừ niobi và ống nano cacbon, thuộc loại thứ nhất, trong khi hầu hết tất cả các chất siêu dẫn tạp chất và phức tạp đều thuộc loại thứ hai.

Về mặt hiện tượng học, hiệu ứng Meissner được giải thích bởi hai anh em Fritz và Heinz London, họ đã chỉ ra rằng năng lượng tự do điện từ của một chất siêu dẫn được giảm thiểu trong điều kiện:

Điều kiện này được gọi là phương trình London. Ông dự đoán rằng từ trường trong chất siêu dẫn phân rã theo cấp số nhân từ bất kỳ giá trị nào mà nó có trên bề mặt.

Nếu một từ trường yếu được đặt vào, thì chất siêu dẫn sẽ thay thế gần như toàn bộ từ thông. Điều này là do sự xuất hiện của các dòng điện gần bề mặt của nó.Từ trường của các dòng điện bề mặt trung hòa từ trường ứng dụng bên trong thể tích của chất siêu dẫn. Vì sự dịch chuyển hoặc triệt tiêu trường không thay đổi theo thời gian, điều này có nghĩa là dòng điện tạo ra hiệu ứng này (dòng điện một chiều) không suy giảm theo thời gian.

Gần bề mặt của mẫu, trong độ sâu London, từ trường không hoàn toàn vắng mặt. Mỗi vật liệu siêu dẫn có độ sâu thâm nhập từ tính riêng.

Bất kỳ dây dẫn hoàn hảo nào cũng sẽ ngăn chặn bất kỳ sự thay đổi nào của từ thông đi qua bề mặt của nó do cảm ứng điện từ bình thường ở điện trở bằng không. Nhưng hiệu ứng Meissner khác với hiện tượng này.

Khi một dây dẫn thông thường được làm lạnh đến trạng thái siêu dẫn với sự có mặt của từ trường vĩnh cửu, từ thông sẽ bị ném ra ngoài trong quá trình chuyển đổi này. Hiệu ứng này không thể được giải thích bằng độ dẫn điện vô hạn.

Vị trí và sự bay lên sau đó của một nam châm trên một vật liệu vốn đã siêu dẫn không thể hiện hiệu ứng Meissner, trong khi hiệu ứng Meissner được thể hiện nếu nam châm đứng yên ban đầu sau đó bị chất siêu dẫn làm lạnh đến nhiệt độ tới hạn đẩy lùi.

Ở trạng thái Meissner, các chất siêu dẫn thể hiện tính nghịch từ hay siêu nghịch từ hoàn hảo. Điều này có nghĩa là tổng từ trường rất gần bằng 0 ở sâu bên trong chúng, cách bề mặt một khoảng rất xa. Độ cảm từ -1.

Tính nghịch từ được định nghĩa bằng sự tạo ra từ hóa tự phát của vật liệu hoàn toàn ngược với hướng của từ trường tác dụng bên ngoài. Nhưng nguồn gốc cơ bản của tính nghịch từ trong chất siêu dẫn và vật liệu thông thường là rất khác nhau.

Trong các vật liệu thông thường, hiện tượng nghịch từ xảy ra do kết quả trực tiếp của sự quay quỹ đạo cảm ứng điện từ của các electron xung quanh hạt nhân nguyên tử khi một từ trường bên ngoài được áp dụng. Trong các chất siêu dẫn, ảo ảnh về tính nghịch từ hoàn hảo phát sinh do các dòng điện che chắn liên tục chạy ngược lại trường ứng dụng (chính hiệu ứng Meissner), không chỉ do quỹ đạo quay.

Việc phát hiện ra hiệu ứng Meissner vào năm 1935 đã dẫn đến lý thuyết hiện tượng học về hiện tượng siêu dẫn của Fritz và Heinz London. Lý thuyết này giải thích sự biến mất của điện trở và hiệu ứng Meissner. Điều này cho phép chúng tôi đưa ra những dự đoán lý thuyết đầu tiên về tính siêu dẫn.

Tuy nhiên, lý thuyết này chỉ giải thích được các quan sát thực nghiệm chứ không cho phép xác định nguồn gốc vĩ mô của các tính chất siêu dẫn.Điều này đã được thực hiện thành công sau đó, vào năm 1957, bởi lý thuyết Bardeen-Cooper-Schriefer, từ đó cả độ sâu thâm nhập và hiệu ứng Meissner đều tuân theo. Tuy nhiên, một số nhà vật lý cho rằng lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer không giải thích được hiệu ứng Meissner.

Hiệu ứng Meissner được áp dụng theo nguyên tắc sau. Khi nhiệt độ của vật liệu siêu dẫn vượt qua một giá trị tới hạn, từ trường xung quanh nó thay đổi đột ngột, dẫn đến việc tạo ra xung EMF trong cuộn dây quấn quanh vật liệu đó. Và khi dòng điện của cuộn dây điều khiển thay đổi, trạng thái từ tính của vật liệu có thể được kiểm soát. Hiện tượng này được sử dụng để đo từ trường cực yếu bằng các cảm biến đặc biệt.

Cryotron là một thiết bị chuyển mạch dựa trên hiệu ứng Meissner. Về mặt cấu trúc, nó bao gồm hai chất siêu dẫn. Một cuộn dây niobi được quấn quanh một thanh tantali mà dòng điện điều khiển chạy qua.

Khi dòng điều khiển tăng, cường độ từ trường tăng và tantali chuyển từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái bình thường.Trong trường hợp này, độ dẫn điện của dây tantali và dòng điện hoạt động trong mạch điều khiển thay đổi phi tuyến tính thái độ. Ví dụ, trên cơ sở cryotron, các van điều khiển được tạo ra.