Эффект Мейснера: тайна сверхпроводимости

Эффект Мейснера до сих пор окутан ореолом тайны и вызывает интерес ученых всего мира. Это удивительное явление позволяет объяснить природу сверхпроводимости и открывает путь к созданию материалов с уникальными свойствами.

История открытия эффекта Мейснера

Эффект Мейснера был открыт в 1933 году немецкими физиками Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом во время экспериментов с охлаждением металлов до сверхнизких температур. Ученые обнаружили, что при переходе металла в сверхпроводящее состояние происходит полное вытеснение магнитного поля из его объема.

«К нашему удивлению, сила магнитного поля внутри образца упала до нуля, как только он стал сверхпроводником» - запись В. Мейснера в лабораторном журнале от 25 сентября 1933 года.

Это фундаментальное открытие позволило впервые понять природу сверхпроводимости и отличить ее от обычной высокой электропроводности. Оно явилось важной вехой в исследовании квантово-механических свойств твердых тел.

• 14 апреля 1911 г. - открытие явления сверхпроводимости
• 1933 г. - открытие эффекта Мейснера
• 1935 г. - теория эффекта предложена братьями Лондон
• 1986 г. - открыты высокотемпературные сверхпроводники

Физическая сущность эффекта Мейснера

Как уже отмечалось, суть эффекта Мейснера заключается в том, что магнитное поле полностью выталкивается из объема сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние.

В отличие от идеального проводника, где поле сохраняло бы свою индукцию, в сверхпроводнике оно становится равным нулю. При этом на поверхности сверхпроводника возникает экранирующий ток, компенсирующий внешнее поле.

Теоретическую модель, объясняющую эффект Мейснера, предложили в 1935 году немецкие физики-эмигранты братья Фриц и Генрих Лондон. Они ввели понятие глубины проникновения магнитного поля λ и показали, что поле экспоненциально затухает в приповерхностном слое сверхпроводника толщиной порядка 10^-7 - 10^-8 м.

По величине эффекта Мейснера различают два типа сверхпроводников. В сверхпроводниках 1-го рода реализуется полный эффект Мейснера с вытеснением всего магнитного потока. В сверхпроводниках 2-го рода часть потока может сохраняться в виде отдельных вихрей.

Несмотря на интенсивные исследования, до конца не ясен механизм образования куперовских пар электронов, ответственных за эффект сверхпроводимости и эффект Мейснера.

Проявления и применения эффекта Мейснера

Наиболее наглядной демонстрацией эффекта Мейснера служит опыт под названием «гроб Мухаммеда». Согласно легенде, гроб пророка Мухаммеда висел в воздухе без всякой опоры. Этот оптический эффект можно воспроизвести с помощью сверхпроводника, охлажденного жидким азотом до температуры 77 К.

Когда постоянный магнит подносят к такому сверхпроводнику, он начинает «парить» над его поверхностью, отталкиваемый возникающим экранирующим током. Эффект сохраняется до тех пор, пока сверхпроводник остается в сверхпроводящей фазе.

Благодаря явлению магнитной левитации, основанному на эффекте Мейснера, появляется возможность создавать высокоскоростные поезда на магнитной подушке. Применение находится и в измерительных приборах для регистрации магнитных полей.

Загадки и открытые вопросы

Несмотря на многолетние исследования, до сих пор остается много открытых вопросов в понимании эффекта Мейснера и механизмов сверхпроводимости.

В частности, нет общепринятой теории, которая могла бы корректно описать поведение высокотемпературных сверхпроводников, открытых сравнительно недавно. Роль эффекта Мейснера в их функционировании изучена недостаточно.

Возможно ли наблюдать эффект Мейснера в домашних условиях?

Экспериментальное наблюдение эффекта Мейснера требует достижения очень низких температур порядка абсолютного нуля. Поэтому в обычных домашних условиях его продемонстрировать невозможно.

Однако существуют косвенные методы, позволяющие смоделировать проявления эффекта Мейснера, не прибегая к сверхнизким температурам. Например, используя сильные постоянные магниты и диамагнитные материалы.

Поиск комнатно-температурных сверхпроводников

Открытие материалов со сверхпроводимостью при комнатной температуре может кардинально изменить современную технику и технологии.

Однако на сегодняшний день все известные сверхпроводники переходят в особое квантовое состояние лишь при сверхнизких температурах. Природа высокотемпературной сверхпроводимости и механизм эффекта Мейснера в таких материалах остается загадкой.