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邁斯納效應

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邁斯納效應的示意圖。在低於臨界溫度時,由箭嘴代表的磁場線會被超導體所排斥。

邁斯納效應超導體相變至超導態的過程中對磁場的排斥現象,於1933年時被瓦爾特·邁斯納羅伯特·奧克森菲爾德英语Robert Ochsenfeld在量度超導錫及鉛樣品外的磁場時發現[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。

解釋[编辑]

液態氮所冷卻的超導體把磁石懸浮起來。

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。

任何完美的零電阻導電體都會因為簡單的電磁感應現象,阻止通過其表面的磁通量改變。然而,超導體的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。這樣的效應無法只用無限電導率來解釋。它的解釋比這個更複雜,最早由弗里茨·倫敦英语Fritz London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 \chi_{v} = −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·倫敦英语Fritz London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。

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,\lambda_M:=h/(M c),其中h普朗克常數c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\lambda_M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]

  1. ^ 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. 
  2. ^ 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]