Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Выброс магнитного поля из сверхпроводника
Expulsion of a magnetic field from a superconductor
Эффект Мейснера (или эффект Мейснера — Оксенфельда) — это вытеснение магнитного поля из сверхпроводника при переходе в сверхпроводящее состояние при охлаждении ниже критической температуры. Это вытеснение отталкивает находящийся поблизости магнит. Немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд открыли это явление в 1933 году, измерив распределение магнитного поля вне сверхпроводящих образцов олова и свинца. Образцы, находясь в приложенном магнитном поле, охлаждались ниже температуры сверхпроводящего перехода, после чего практически все внутренние магнитные поля в образцах аннулировались. Они обнаружили этот эффект лишь косвенно, поскольку магнитный поток сохраняется сверхпроводником: при уменьшении внутреннего поля увеличивается внешнее. Эксперимент впервые показал, что сверхпроводники — это не просто идеальные проводники, а обладают уникальным определяющим свойством сверхпроводящего состояния. Способность к вытеснению определяется характером равновесия, формирующегося в результате нейтрализации внутри элементарной ячейки сверхпроводника. Сверхпроводник с малым или отсутствующим магнитным полем внутри считается находящимся в состоянии Мейснера. Состояние Мейснера нарушается, когда приложенное магнитное поле становится слишком сильным. Сверхпроводники можно разделить на два класса в зависимости от механизма этого нарушения. В сверхпроводниках типа I сверхпроводимость резко разрушается при превышении критического значения силы приложенного поля Hc. В зависимости от геометрии образца может образоваться промежуточное состояние, состоящее из сложного узора областей нормального материала, несущего магнитное поле, перемежающихся с областями сверхпроводящего материала, в которых поле отсутствует. В сверхпроводниках типа II повышение приложенного поля сверх критического значения Hc1 приводит к смешанному состоянию (также известному как вихревое состояние), в котором в материал проникает все большее количество магнитного потока, но сопротивление электрическому току остается равным нулю, пока ток не станет слишком большим. Некоторые сверхпроводники типа II демонстрируют небольшое, но конечное сопротивление в смешанном состоянии из-за движения вихрей потока, индуцированных силами Лоренца, возникающими от тока. Поскольку ядра вихрей состоят из нормальных электронов, их движение приводит к диссипации энергии. При достижении второй критической силы поля Hc2 сверхпроводимость разрушается. Смешанное состояние обусловлено вихрями в электронной сверхтекучей среде, иногда называемыми флюксонами, поскольку поток, переносимый этими вихрями, квантован. Большинство чистых элементарных сверхпроводников, за исключением ниобия и углеродных нанотрубок, относятся к типу I, в то время как почти все примесные и сложные сверхпроводники относятся к типу II.
The Meissner effect (or Meißner–Ochsenfeld effect) is the expulsion of a magnetic field from a superconductor during its transition to the superconducting state when it is cooled below the critical temperature. This expulsion will repel a nearby magnet. The German physicists Walther Meißner (anglicized Meissner) and Robert Ochsenfeld discovered this phenomenon in 1933 by measuring the magnetic field distribution outside superconducting tin and lead samples. The samples, in the presence of an applied magnetic field, were cooled below their superconducting transition temperature, whereupon the samples cancelled nearly all interior magnetic fields. They detected this effect only indirectly because the magnetic flux is conserved by a superconductor: when the interior field decreases, the exterior field increases. The experiment demonstrated for the first time that superconductors were more than just perfect conductors and provided a uniquely defining property of the superconductor state. The ability for the expulsion effect is determined by the nature of equilibrium formed by the neutralization within the unit cell of a superconductor. A superconductor with little or no magnetic field within it is said to be in the Meissner state. The Meissner state breaks down when the applied magnetic field is too strong. Superconductors can be divided into two classes according to how this breakdown occurs. In type I superconductors, superconductivity is abruptly destroyed when the strength of the applied field rises above a critical value Hc. Depending on the geometry of the sample, one may obtain an intermediate state consisting of a baroque pattern of regions of normal material carrying a magnetic field mixed with regions of superconducting material containing no field. In type II superconductors, raising the applied field past a critical value Hc1 leads to a mixed state (also known as the vortex state) in which an increasing amount of magnetic flux penetrates the material, but there remains no resistance to the electric current as long as the current is not too large. Some type II superconductors exhibit a small but finite resistance in the mixed state due to motion of the flux vortices induced by the Lorentz forces from the current. As the cores of the vortices are normal electrons, their motion will have dissipation. At a second critical field strength Hc2, superconductivity is destroyed. The mixed state is caused by vortices in the electronic superfluid, sometimes called fluxons because the flux carried by these vortices is quantized. Most pure elemental superconductors, except niobium and carbon nanotubes, are type I, while almost all impure and compound superconductors are type II.
Идеальный диамагнетизм
Сверхпроводники в состоянии Мейснера демонстрируют идеальный диамагнетизм, или супердиамагнетизм, что означает, что общее магнитное поле очень близко к нулю глубоко внутри них (на многих глубинах проникновения от поверхности). Это означает, что их объемная магнитная восприимчивость равна −1. Диамагнетизм определяется возникновением спонтанной намагниченности материала, которая непосредственно противодействует направлению приложенного поля. Однако фундаментальные причины диамагнетизма в сверхпроводниках и нормальных материалах существенно различаются. В нормальных материалах диамагнетизм возникает как прямой результат орбитального движения электронов вокруг ядер атома, индуцированного электромагнитным полем. В сверхпроводниках кажущийся идеальный диамагнетизм обусловлен устойчивыми экранирующими токами, которые протекают, чтобы противодействовать приложенному полю (эффект Мейснера), а не только орбитальным движением электронов.
Superconductors in the Meissner state exhibit perfect diamagnetism, or superdiamagnetism, meaning that the total magnetic field is very close to zero deep inside them (many penetration depths from the surface). This means that their volume magnetic susceptibility is = −1. Diamagnetics are defined by the generation of a spontaneous magnetization of a material which directly opposes the direction of an applied field. However, the fundamental origins of diamagnetism in superconductors and normal materials are very different. In normal materials diamagnetism arises as a direct result of the orbital spin of electrons about the nuclei of an atom induced electromagnetically by the application of an applied field. In superconductors the illusion of perfect diamagnetism arises from persistent screening currents which flow to oppose the applied field (the Meissner effect); not solely the orbital spin.
Последствия
Открытие эффекта Мейснера привело к феноменологической теории сверхпроводности, разработанной Фрицем и Хайнцем Лондоном в 1935 году. Эта теория объясняла бессопротивное протекание тока и эффект Мейснера, а также позволила сделать первые теоретические предсказания относительно сверхпроводности. Однако эта теория объясняла лишь экспериментальные наблюдения, не позволяя установить микроскопические причины сверхпроводящих свойств. Это было успешно сделано теорией БКШ в 1957 году, из которой следуют глубина проникновения и эффект Мейснера. Тем не менее, некоторые физики утверждают, что теория БКШ не дает полного объяснения эффекту Мейснера.
The discovery of the Meissner effect led to the phenomenological theory of superconductivity by Fritz and Heinz London in 1935. This theory explained resistanceless transport and the Meissner effect, and allowed the first theoretical predictions for superconductivity to be made. However, this theory only explained experimental observations—it did not allow the microscopic origins of the superconducting properties to be identified. This was done successfully by the BCS theory in 1957, from which the penetration depth and the Meissner effect result. However, some physicists argue that BCS theory does not explain the Meissner effect.
Парадигма для механизма Хиггса
Эффект сверхпроводимости Мейснера является важной парадигмой для механизма генерации массы M (то есть обратного радиуса, где h — постоянная Планка, а c — скорость света) для калибровочного поля. Фактически, эта аналогия представляет собой абелев пример механизма Хиггса, который генерирует массы электрослабых и калибровочных частиц в физике высоких энергий. Эта длина совпадает с лондонской глубиной проникновения в теории сверхпроводимости.
The Meissner superconductivity effect serves as an important paradigm for the generation mechanism of a mass M (i. e., a reciprocal range, where h is the Planck constant and c is the speed of light) for a gauge field. In fact, this analogy is an abelian example for the Higgs mechanism, which generates the masses of the electroweak and gauge particles in high energy physics. The length is identical with the London penetration depth in the theory of superconductivity.