Введение
Явление, связанное со сверхпроводимостью, возникает, когда вихри магнитного потока в сверхпроводнике второго рода не могут перемещаться внутри объема сверхпроводника, в результате чего линии магнитного поля "закрепляются" в определенных точках. Сверхпроводник должен быть сверхпроводником второго рода, поскольку магнитное поле не проникает внутрь сверхпроводников первого рода. Однако некоторые сверхпроводники первого рода могут демонстрировать эффект закрепления потока, если их толщина достаточно мала. Если толщина материала сопоставима с лондоновской глубиной проникновения, магнитное поле может проникать сквозь материал. Именно это проникновение делает возможным закрепление потока. При более высоких магнитных полях (выше нижнего критического поля Hc₁, но ниже верхнего критического поля Hc₂) сверхпроводник допускает проникновение магнитного потока в виде квантованных порций, окруженных вихрем сверхпроводящего тока (см. Квантовый вихрь). Эти точки проникновения известны как трубки потока. Количество трубок потока на единицу площади пропорционально напряженности магнитного поля, при этом константой пропорциональности является квант магнитного потока. На простом диске диаметром 76 миллиметров и толщиной 1 микрометр, расположенном вблизи магнитного поля 28 кА/м, находится приблизительно 100 миллиардов трубок потока, способных удерживать груз, в 70 000 раз превышающий вес сверхпроводника. При более низких температурах трубки потока фиксируются и не могут перемещаться. Это закрепление удерживает сверхпроводник на месте, позволяя ему левитировать. Данное явление тесно связано с эффектом Мейснера, однако имеет одно существенное отличие: эффект Мейснера экранирует сверхпроводник от всех магнитных полей, вызывая отталкивание, в то время как закрепленное состояние сверхпроводящего диска фиксирует магнитный поток и сам сверхпроводник.
Flux pinning is a phenomenon that occurs when flux vortices in a type II superconductor are prevented from moving within the bulk of the superconductor, so that the magnetic field lines are "pinned" to those locations. The superconductor must be a type II superconductor because type I superconductors cannot be penetrated by magnetic fields. Some type I superconductors can experience the effects of flux pinning if they are thin enough. If the material's thickness is comparable to the London penetration depth, the magnetic field can pass through the material. The act of magnetic penetration is what makes flux pinning possible. At higher magnetic fields (above lower critical field Hc,1 but below upper critical field Hc,2 ) the superconductor allows magnetic flux to enter in quantized packets surrounded by a superconducting current vortex (see Quantum vortex). These sites of penetration are known as flux tubes. The number of flux tubes per unit area is proportional to the magnetic field with a constant of proportionality equal to the magnetic flux quantum. On a simple 76 millimeter diameter, 1 micrometer thick disk, next to a magnetic field of 28 kA/m, there are approximately 100 billion flux tubes that hold 70,000 times the superconductor's weight. At lower temperatures the flux tubes are pinned in place and cannot move. This pinning is what holds the superconductor in place thereby allowing it to levitate. This phenomenon is closely related to the Meissner effect, though with one crucial difference — the Meissner effect shields the superconductor from all magnetic fields causing repulsion, unlike the pinned state of the superconductor disk which pins flux, and the superconductor in place.
Важность
Флюсовое закрепление желательно в высокотемпературных керамических сверхпроводниках для предотвращения "ползучести потока", которая может создавать псевдосопротивление и снижать как критическую плотность тока, так и критическое поле. Деградация свойств высокотемпературных сверхпроводников из-за ползучести потока является ограничивающим фактором в их применении. Магнетометры SQUID демонстрируют пониженную точность в определенном диапазоне приложенного поля из-за ползучести потока в сверхпроводящем магните, используемом для создания смещения образца, а максимальная напряженность поля высокотемпературных сверхпроводящих магнитов значительно уменьшается из-за снижения критического поля.
Потенциальные применения
Ценность фиксации магнитного потока проявляется в различных применениях, таких как лифты, безъёмные соединения и транспортные системы. Чем тоньше сверхпроводящий слой, тем сильнее фиксация, возникающая под воздействием магнитных полей. Поскольку сверхпроводник фиксируется над магнитом, не касаясь каких-либо поверхностей, появляется возможность создания безъёмного соединения. Транспорт – ещё одна область, где технология фиксации магнитного потока может произвести революцию и коренное преобразование. MagSurf, разработанный Парижским университетом Дидро, использует фиксацию магнитного потока для создания эффекта, подобного парящей доске, способной перемещать человека, что демонстрирует практическую ценность технологии. Федеральный университет Рио-де-Жанейро также разрабатывает MagLev-систему на основе фиксации магнитного потока под названием Maglev Cobra, которая стремится к более компактным размерам по сравнению с существующими городскими железнодорожными системами. Ведутся также исследования по использованию эффекта фиксации магнитного потока для изоляции вибраций в микроустройствах. Способность фиксировать сверхпроводник в пространстве может быть использована в качестве демпфера, подобного пружине. Эта идея предлагалась для изоляции вибраций деталей в спутниках.
Другие источники
Наука будущего: введение в высокотемпературные сверхпроводники. Учебное пособие American Magnetics по исключению магнитного поля и закреплению магнитного потока в сверхпроводниках. Документация CERN LHC о стабильности сверхпроводников. Закрепление магнитного потока в Bi₂Sr₂CaCu₂O(8 + δ) в высокотемпературных сверхпроводящих лентах с использованием дефектов (Sr,Ca)₁₄Cu₂₄O(41 + δ) и Sr₂CaAl₂O₆ (T. Haugan и др., AFB OH Propulsion Directorate, Исследовательская лаборатория ВВС Райт-Паттерсон, октябрь 2003 г.). Сверхпроводящая магнитная левитация (MagLev) на магнитном треке. Физическая демонстрация эффекта Мейснера и закрепления магнитного потока в Итaкском колледже.
Superconducting Magnetic Levitation (MagLev) on a Magnetic Track Ithaca College Physics demonstration of the Meissner effect and flux pinning.