Effetto Meissner e suo utilizzo

L'effetto Meissner o effetto Meissner-Oxenfeld consiste nello spostamento di un campo magnetico dalla massa del superconduttore durante la sua transizione allo stato superconduttore. Questo fenomeno fu scoperto nel 1933 dai fisici tedeschi Walter Meissner e Robert Oxenfeld, che misurarono la distribuzione del campo magnetico all'esterno di campioni superconduttori di stagno e piombo.

Walter Meissner

Nell'esperimento, i superconduttori, in presenza di un campo magnetico applicato, sono stati raffreddati al di sotto della loro temperatura di transizione superconduttiva finché quasi tutto il campo magnetico interno dei campioni non è stato ripristinato. L'effetto è stato rilevato dagli scienziati solo indirettamente, perché il flusso magnetico del superconduttore viene preservato: quando il campo magnetico all'interno del campione diminuisce, il campo magnetico esterno aumenta.

Pertanto, l'esperimento ha mostrato chiaramente per la prima volta che i superconduttori non sono solo conduttori ideali, ma dimostrano anche una proprietà distintiva unica dello stato superconduttore.La capacità di spostare il campo magnetico è determinata dalla natura dell'equilibrio formato dalla neutralizzazione all'interno della cella unitaria del superconduttore.

Si dice che un superconduttore con poco o nessun campo magnetico si trovi nello stato di Meissner. Ma lo stato di Meissner si rompe quando il campo magnetico applicato è troppo forte.

Vale la pena notare che i superconduttori possono essere suddivisi in due classi a seconda di come si verifica questa violazione: nei superconduttori del primo tipo, la superconduttività viene bruscamente violata quando l'intensità del campo magnetico applicato diventa superiore al valore critico Hc.

A seconda della geometria del campione, si può ottenere uno stato intermedio, simile allo squisito schema di regioni di materiale normale che trasportano un campo magnetico mescolato con regioni di materiale superconduttore dove non c'è campo magnetico.

Nei superconduttori di tipo II, l'aumento dell'intensità del campo magnetico applicato al primo valore critico Hc1 porta a uno stato misto (noto anche come stato di vortice), in cui sempre più flusso magnetico penetra nel materiale, ma non c'è resistenza alla corrente elettrica a meno che questa corrente non sia troppo alta.

Al valore della seconda forza critica Hc2 lo stato superconduttore viene distrutto. Lo stato misto è causato da vortici in un fluido elettronico superfluido, che a volte sono chiamati flussoni (fluxon-quantum of magnetic flux) perché il flusso trasportato da questi vortici è quantizzato.

I superconduttori elementari più puri, ad eccezione del niobio e dei nanotubi di carbonio, sono del primo tipo, mentre quasi tutte le impurità ei superconduttori complessi sono del secondo tipo.

Fenomenologicamente, l'effetto Meissner è stato spiegato dai fratelli Fritz e Heinz London, che hanno dimostrato che l'energia libera elettromagnetica di un superconduttore è minimizzata nella condizione:

Questa condizione è chiamata equazione di London. Ha predetto che il campo magnetico in un superconduttore decade esponenzialmente da qualunque valore abbia in superficie.

Se viene applicato un campo magnetico debole, il superconduttore sposta quasi tutto il flusso magnetico. Ciò è dovuto alla comparsa di correnti elettriche vicino alla sua superficie, il campo magnetico delle correnti superficiali neutralizza il campo magnetico applicato all'interno del volume del superconduttore. Poiché lo spostamento o soppressione del campo non cambia nel tempo, ciò significa che le correnti che creano questo effetto (correnti continue) non decadono nel tempo.

In prossimità della superficie del campione, all'interno della profondità di London, il campo magnetico non è del tutto assente. Ogni materiale superconduttore ha una propria profondità di penetrazione magnetica.

Qualsiasi conduttore perfetto impedirà qualsiasi variazione del flusso magnetico che passa attraverso la sua superficie a causa della normale induzione elettromagnetica a resistenza zero. Ma l'effetto Meissner è diverso da questo fenomeno.

Quando un conduttore convenzionale viene raffreddato in uno stato superconduttore in presenza di un campo magnetico applicato in modo permanente, il flusso magnetico viene espulso durante questa transizione. Questo effetto non può essere spiegato dalla conducibilità infinita.

Il posizionamento e la successiva levitazione di un magnete su un materiale già superconduttore non mostra l'effetto Meissner, mentre l'effetto Meissner si manifesta se il magnete inizialmente stazionario viene successivamente respinto dal superconduttore raffreddato a una temperatura critica.

Nello stato di Meissner, i superconduttori mostrano un perfetto diamagnetismo o superdiamagnetismo. Ciò significa che il campo magnetico totale è molto vicino allo zero in profondità al loro interno, a una grande distanza verso l'interno dalla superficie. Suscettività magnetica -1.

Il diamagnetismo è definito dalla generazione della magnetizzazione spontanea di un materiale che è esattamente opposta alla direzione di un campo magnetico applicato esternamente, ma l'origine fondamentale del diamagnetismo nei superconduttori e nei materiali normali è molto diversa.

Nei materiali ordinari, il diamagnetismo si verifica come risultato diretto della rotazione orbitale indotta elettromagneticamente degli elettroni attorno ai nuclei atomici quando viene applicato un campo magnetico esterno. Nei superconduttori, l'illusione del diamagnetismo perfetto nasce a causa delle correnti di schermatura costanti che scorrono contro il campo applicato (lo stesso effetto Meissner), non solo a causa dello spin orbitale.

La scoperta dell'effetto Meissner portò nel 1935 alla teoria fenomenologica della superconduttività di Fritz e Heinz London. Questa teoria spiega la scomparsa della resistenza e l'effetto Meissner. Questo ci ha permesso di fare le prime previsioni teoriche sulla superconduttività.

Tuttavia, questa teoria spiega solo le osservazioni sperimentali, ma non consente l'identificazione dell'origine macroscopica delle proprietà superconduttive.Ciò fu fatto con successo più tardi, nel 1957, dalla teoria di Bardeen-Cooper-Schriefer, da cui derivano sia la profondità di penetrazione che l'effetto Meissner. Tuttavia, alcuni fisici sostengono che la teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer non spiega l'effetto Meissner.

L'effetto Meissner viene applicato secondo il seguente principio. Quando la temperatura di un materiale superconduttore supera un valore critico, il campo magnetico attorno ad esso cambia bruscamente, determinando la generazione di un impulso EMF nella bobina avvolta attorno a tale materiale. E quando la corrente della bobina di controllo cambia, è possibile controllare lo stato magnetico del materiale. Questo fenomeno viene utilizzato per misurare campi magnetici ultra deboli utilizzando sensori speciali.

Un cryotron è un dispositivo di commutazione basato sull'effetto Meissner. Strutturalmente, è costituito da due superconduttori. Una bobina di niobio è avvolta attorno a un'asta di tantalio attraverso la quale scorre una corrente di controllo.

All'aumentare della corrente di controllo, la forza del campo magnetico aumenta e il tantalio passa dallo stato superconduttore allo stato ordinario.In questo caso, la conduttività del filo di tantalio e la corrente operativa nel circuito di controllo cambiano in modo non lineare maniera. Sulla base dei criotroni, ad esempio, vengono create valvole controllate.