Кіріспе

Магниттік өрістің суперөткізгіштен шығарылуы – Майснер эффектісі (немесе Мейснер–Оксенфельд эффектісі) – суперөткізгіштің критикалық температурадан төмен салқындатылғанда, суперөткізгіш күйге өтуі кезінде магниттік өрістің шығарылуы. Бұл шығарылым жақын жердегі магнитті итергіш күшпен ығыстырады. Неміс физиктері Вальтер Мейснер (ағылшынша Meissner) және Роберт Оксенфельд 1933 жылы суперөткізгіш қалайы мен қорғасын үлгілерінің сыртындағы магниттік өрістің таралуын өлшеу арқылы осы құбылысты тапқан. Үлгілер, магниттік өріс әсерімен, суперөткізгіштік температурасынан төмен салқындатылды, содан кейін үлгілердің ішіндегі барлық магниттік өрістер дерлік жойылды. Олар бұл эффектіні тек жанама түрде анықтады, себебі суперөткізгіш магниттік ағынды сақтайды: ішкі өріс төмендесе, сыртқы өріс артады. Бұл тәжірибе алғаш рет суперөткізгіштердің жай ғана кемелді өткізгіштер емес екенін көрсетті және суперөткізгіш күйдің ерекше қасиетін анықтады. Шығару эффектісінің мүмкіндігі суперөткізгіштің элементар жасушасындағы тепе-теңдік құрылуының сипатымен анықталады. Ішінде магниттік өріс жоқ немесе азын суперөткізгіш – Майснер күйінде деп есептеледі. Майснер күйі магниттік өріс тым күшті болғанда бұзылады. Суперөткізгіштер осы бұзылудың қалай жүзеге асуына қарай екі классқа бөлінеді. I типтегі суперөткізгіштерде, қолданылатын өрістің күші Hc сыни мәнінен асып кеткенде, суперөткізгіштік күрт жойылады. Үлгінің геометриясына байланысты, магниттік өрісті тасымалдайтын қалыпты материалдың аймақтары мен өріссіз суперөткізгіш материалдың аймақтарынан тұратын аралық күйге қол жеткізуге болады. II типтегі суперөткізгіштерде, қолданылатын өріс Hc1 сыни мәнінен асып кеткенде, аралас күйге (сондай-ақ, вортекстік күй деп те аталады) түседі, онда материалға магниттік ағыс еніп, бірақ ток тым үлкен болмайынша, электр тогына қарсылық болмайды. II типтегі кейбір суперөткізгіштер аралас күйде Лоренц күштерінен туындаған ағын вортекстерінің қозғалысынан туындаған шағын, бірақ шекті кедергіге ие. Вортекстердің ядролары қалыпты электрондар болғандықтан, олардың қозғалысы энергия шығынына әкеледі. Екінші Hc2 сыни өріс күшінде суперөткізгіштік жойылады. Аралас күйді электрондық суперсұйықтықтағы вортекстер тудырады, кейде оларды флюксондар деп атайды, себебі осы вортекстер тасымалдайтын ағын квантталады. Ниобий мен көміртек нанотүтікшелерінен басқа, таза элементтік суперөткізгіштердің көпшілігі I типті, ал барлық қоспалы және құрама суперөткізгіштер II типті болады.

Кемелсіз диамагнетизм

Мейснер күйіндегі суперөткізгіштерде толық диамагнетизм немесе супердиамагнетизм байқалады, яғни олардың ішкі магнит өрісінің күші нөлге өте жақын болады (бетінен көптеген өту тереңдігі қашықтықта). Бұл олардың көлемдік магниттік сезімталдығы = −1 екенін білдіреді. Диамагнетиктер материалдың сыртқы магнит өрісіне тікелей қарсы бағытталған спонтанды магниттелуін тудыру арқылы сипатталады. Дегенмен, суперөткізгіштердегі және қалыпты материалдардағы диамагнетизмнің түпкі себептері мүлдем әртүрлі. Қалыпты материалдарда диамагнетизм атом ядроларының айналасындағы электрондардың орбиталық спинінің тікелей нәтижесі болып табылады, бұл спин сыртқы магнит өрісінің әсерінен туындайды. Суперөткізгіштерде толық диамагнетизмнің көрінісі сыртқы магнит өрісіне қарсы тұратын тұрақты токтардың нәтижесінде пайда болады (Майснер эффектісі); бұл тек орбиталық спинге байланысты емес.

Салдарлар

Мейснер эффектісінің ашылуы 1935 жылы Фриц пен Хайнц Лондонның суперөткізгіштіктің феноменологиялық теориясын жасауға әкелді. Бұл теория кедергісіз ток тасымалын және Мейснер эффектісін түсіндірді, сондай-ақ суперөткізгіштік туралы алғашқы теориялық болжамдар жасауға мүмкіндік берді. Дегенмен, бұл теория тек тәжірибелік мәліметтерді ғана түсіндірді, суперөткізгіштік қасиеттерінің микроскопиялық себептерін анықтауға көмектеспеді. Бұл 1957 жылы BCS теориясы арқылы табысты түрде іске асырылды, одан ену тереңдігі мен Мейснер эффектісі туындайды. Алайда, кейбір физиктер BCS теориясы Мейснер эффектісін толыққанды түсіндірмейді деген пікірде.

Хиггс механизмі үшін парадигма

Мейснердің суперөткізгіштік эффектісі өлшемдік өріс үшін масса M (яғни, h – Планк тұрақтысы және c – жарық жылдамдығы) тудыру механизмі үшін маңызды үлгі болып табылады. Бұл аналогия, шындығында, жоғары энергиялық физикадағы электрожұқ және өлшемдік бөлшектердің массасын жасайтын Хиггс механизмінің абелдік мысалы. Ұзындығы суперөткізгіштік теориясындағы Лондонның ену тереңдігімен сәйкес келеді.