邁斯納效應
邁斯納效應是超導體相變至超導態的過程中對磁場的排斥現象。瓦爾特·邁斯納與羅伯特·奧克森菲爾德於1933年在量度超導錫及鉛樣品外的磁場時發現這個現象[1]。在有磁場的情況下，樣品被冷卻至它們的超導相變溫度以下。在相變溫度以下時，樣品幾乎抵消掉所有裏面的磁場。他們只是間接地探測到這個效應；因為超導體的磁通量守恆，當裏面的場減少時，外面的場就會增加。這實驗最早證明了超導體不只是完美的導電體，並為超導態提供了一個獨特的定義性質。
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解釋 [编辑]
在弱場下，超導體幾乎“排斥”掉所有的磁通量。它通過在其表面建立起電流來達到這點。這些表面電流的磁場與外加的磁場在超導體內互相抵消。由於場排斥（或抵消）並不隨時間而改變，所以導致這效應的電流（又稱持久電流）並不會因時間而減弱。因此電導率可被視為無限：即超導體。
在接近表面的一定距離內，磁場並不會被完全抵消，這個距離被稱為倫敦穿透深度。每一種超導體都有其特有的穿透深度。
由於零電阻時的一般電磁感應，所以任何完美的導電體都會阻止通過其表面的磁通量改變。邁斯納效應跟這個有區別：當為了在外加磁場下到達超導態，而冷卻一般導電體時，磁通量在相變期間會被排斥。這樣的效應不能只用無限電導率來解釋。它的解釋被這個更複雜，最早由弗里茨與海因茨·倫敦兩兄弟在倫敦方程中提出。
完美抗磁性 [编辑]
處於邁斯納態的超導體會表現出完美抗磁性，或超抗磁性，意思是超導體深處（離表面好幾個穿透深度的地方）的總磁場非常接近零。亦即是它們的磁化率
= −1。抗磁性體的定義為能產生自發磁化的物料，且磁化方向與外加場直接相反。然而，超導體中抗磁性的基本來源與一般材料的非常不同。在一般材料中，抗磁性是原子核旁電子的軌道自旋，與外加磁場間電磁感應的直接結果。在超導體中，完美抗磁性的假象是由持久的屏蔽電流所引起的，電流的流動方向與外加場相反（邁斯納效應）；抗磁性並非只由軌道自旋所引起。
後果 [编辑]
邁斯納效應的發現使得弗里茨與海因茨·倫敦於1935年得出超導的現象理論。這套理論解釋了無電阻運輸與邁斯納效應，並提供了早期的超導預測。然而，這套理論只解釋到實驗觀測結果——使用它並不能夠找出超導現象的微觀來源。不過，所有的微觀理論都需要能夠重現這種效應。1957年的BCS理論就成功辦到這一點。但是，現時邁斯納效應的理論，包括現象的倫敦理論、微觀的BCS理論以及古典電動力學，明顯離完整還有相當距離。問題在於描述電動勢的法拉第電磁感應定律，在邁斯納效應的靜止條件下等於零，而現時的理論並沒有提出其他電力來加速電子，直至電子達至倫敦方程所描述的超電流穩定態。很明顯地，這樣的加速對宏觀的觀測者而言不可能是瞬時的，因為會破壞因果原理。這個問題在有暫態超電流的系統內進行過分析[2]這個模型是基於把庫珀對當成零自旋的玻色子處理，結果在漸近時與倫敦方程一致。但是，解決問題還需要對馬克士威－勞倫茲電動力學作出一些有疑義的延伸。
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T=4.2 K，B=8 mT（80 G）。錫處於普通的電導態。指南針們顯示磁通量穿過圓柱體。
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圓柱體從4.2 K被冷卻至1.6 K。電磁鐵的電流保持不變，但錫在大約3 K就成了超導體。磁通量受到圓柱體的排斥（邁斯納效應）。
希格斯機制的範例 [编辑]
超導體的邁斯納效應可用作規範場的質量M（即倒數範圍，
，其中h為普朗克常數，c為光速）生成機制的重要範例。實際上，這個類似是希格斯機制的一個可交換例子。在高能物理中，電弱規範粒子W±
及Z的質量，正是通過希格斯機制所生成的。長度
跟超導理論的“倫敦穿透深度”是一樣的。
觀測 [编辑]
在發現高溫超導之前，要觀測到邁斯納效應是一件很難的事，這是因為外加場要相對地小（量度需要在離相界遠的地方進行）。但使用釔鋇銅氧的話，用液態氮就能展示出此效應，永久磁鐵在其上會懸浮。
另見 [编辑]
參考資料 [编辑]
- ^ Meissner, W.; R. Ochsenfeld. Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit. Naturwissenschaften. 1933, 21 (44): 787–788. Bibcode:1933NW.....21..787M. doi:10.1007/BF01504252.
- ^ Kozynchenko A. (2005) The role of retarded momentum and spin in explaining the Meissner effect and other electrodynamic phenomena,[1] Apeiron 12(3): 330-350.
- M. Tinkham, Introduction to Superconductivity, 2nd Ed., Dover Books on Physics (2004). ISBN 0-486-43503-2 （平裝本）. 一本好的技術性參考書。
- Fritz London, Superfluids, Volume I, Macroscopic Theory of Superconductivity, (1950). Reprinted by Dover. ISBN 0-486-60044-0. 由解釋邁斯納效應的科學家所著。第34–37頁有一篇有關超導球體邁斯納效應的討論。
- Wayne M. Saslow, Electricity, Magnetism, and Light, Academic (2002). ISBN 0-12-619455-6. 第486–489頁有一篇簡單的數學討論，是關於導致邁斯納效應的表面電流的，討論個案為一條在超導平面上懸浮的長形磁石。
外部連結 [编辑]
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维基共享资源中相关的多媒体资源：邁斯納效應 |
- 磁懸浮列車美國高磁場國家實驗室的附音頻投影片展示，討論磁懸浮、磁通量陷捕及超導性。（英文）
- 有關第一類超導體的影片：R=0/相變溫度/B是一種態變量/邁斯納效應/能隙/BCS模型（英文）
- 邁斯納效應（Hyperphysics網）（英文）
- 邁斯納效應的影片（英文）
- 邁斯納效應的可能根源（英文）
