Meissnerin ilmiö: suprajohteet, magneettikentät ja leijunta
Tutustu Meissnerin ilmiöön: miten suprajohteet hylkivät magneettikenttiä, aiheuttavat leijunnan ja mullistavat magneettitekniikan — selkeä, havainnollinen selitys.
Meissner-ilmiö tarkoittaa sitä, että magneettikenttä työntyy ulos suprajohteesta eli sulkeutuu sen pinnan ulkopuolelle, kun aine siirtyy suprajohtavaan tilaan. Jos suprajohde asetetaan suuren magneetin kenttään ja katsotaan suprajohteen sisään, näkyy, että magneettikenttä on suprajohteen sisällä huomattavasti pienempi kuin ulkopuolella ja syvemmältä katsottuna lähestyy nollaa. Tämä erottaa suprajohteet täydellisistä johtimista: täydellinen johtin estää sisällä tapahtuvat sähkökentän muutokset, mutta ei välttämättä poista olemassa olevaa magneettikenttää, kun taas suprajohde aktiivisesti karkottaa kentän siirtyessään suprajohtavaan tilaan.
Ilmiön fysikaalinen selitys
Meissner–Ochsenfeldin havainnon selittää suprajohteissa vallitseva kollektiivinen elektronien pariutuminen (Cooper-parit) ja niiden johtama virtaus, joka synnyttää pinnassa virtaavia suprajännitteitä. Nämä pintavirrat tuottavat magneettikentän, joka vastakkaissuuntaisena kumoaa ulkoisen kentän suprajohteen sisällä. Londonin yhtälöt kuvaavat tätä käyttäytymistä matemaattisesti ja ennustavat, että magneettikenttä vaimenee eksponentiaalisesti pinnasta syvemmälle siirryttäessä: B(x) = B0 exp(−x/λ), missä λ on niin sanottu tunkeutumissyvyys (penetration depth).
Tunkeutumissyvyys ja kriittiset kentät
Tunkeutumissyvyys λ on tyypillisesti hyvin pieni, yleensä kymmenistä sadoihin nanometreihin riippuen materiaalista ja lämpötilasta. Suprajohteen kyky poistaa magneettikentän kestää vain tiettyyn kentän voimakkuuteen asti: kun ulkoinen kenttä ylittää materiaalikohtaisen kriittisen kentän, suprajohtavuus tuhoutuu ja ilmiö katoaa. Suprajohteet jaetaan käytännössä kahteen luokkaan:
- Tyypin I suprajohteet: ne näyttävät täydellisen Meissner-ilmiön ja menettävät suprajohtavuutensa, kun kenttä ylittää matalan kriittisen arvon.
- Tyypin II suprajohteet: niissä syntyy korkeampia kriittisiä kenttiä ja välissä esiintyy sekoitustila (mixed state), jossa kenttä tunkeutuu aineeseen yksittäisten virtauskärjen eli vorteksien muodossa. Nämä vorteksit kuljettavat magneettivuon kvanttisen yksikön ja voivat jäädä kiinni materiaalin epäpuhtauksiin (flux pinning).
Leijunta ja flux pinning
Yksi tunnetuimmista Meissner-ilmiön osoituksista on magneetin leijuminen jäähdytetyn suprajohtavan levyn yllä. Pelkkä Meissner-ilmiö tuottaa magneettisen hylkimisen, mutta täydellisen vakauden ja kiinteän etäisyyden leijunnassa tuottaa usein flux pinning — vorteksien lukkiutuminen paikallisiin epäjatkuvuuksiin. Tällöin magneetti voi olla «lukittu» tilaan ja liikkua mukana suprajohteen kanssa, ilmiötä kutsutaan joskus myös kvanttilukitukseksi (quantum locking).
Historia ja käytännön demonstratiot
Ilmiön löysivät Walter Meissner ja Robert Ochsenfeld vuonna 1933. He havaitsivat kokeellisesti, että suprajohteen sisälle magneettikenttä ei pääse ja että kenttä suprajohteen ulkopuolella muuttuu ja voimistuu, kun kenttälinjat joutuvat kiertämään suprajohteen ympäri. Nykyään Meissner-ilmiötä havainnollistetaan usein demonstraatioilla, joissa suprajohde jäähdytetään nestemäisellä typellä tai nestemäisellä typellä/nitrogeenillä ja pieni magneetti leijuu pinnan yllä.
Sovellukset ja rajoitukset
Meissner-ilmiöllä ja siihen liittyvällä flux pinning -ominaisuudella on useita sovelluksia:
- Maglev-junia ja magneettisia laakerointeja tutkitaan hyödyntämään suprajohteiden leijutusominaisuuksia.
- Suprajohteiset magneetit ovat olennaisia MRI-laitteissa ja hiukkaskiihdyttimissä, vaikka näissä sovelluksissa hyödynnetään enemmän suprajohteiden suuria virrantiheyksiä kuin suoraan leijuvaa vaikutusta.
- Tutkimuslaitteissa ja demonstraatioissa suprajohteiden leijunta on suosittu tapa havainnollistaa kvanttimekaniikan kollektiivisia ilmiöitä.
Rajoituksia ovat tarve erittäin alhaisille lämpötiloille (vaikka korkean lämpötilan suprajohteet vähensivät jäähdytyksen kustannuksia) sekä kriittisten kenttien ja virranrajojen asettamat rajat. Lisäksi käytännön järjestelmissä on huomioitava jäähdytyksen, kriittisen kentän ja materiaalien pitkäaikaisen luotettavuuden haasteet.
Yhteenveto
Meissner-ilmiö on suprajohteiden keskeinen ominaisuus: se karkottaa magneettikentän suprajohteen sisästä ja mahdollistaa magneettisen leijunnan. Ilmiön yksityiskohdat — kuten tunkeutumissyvyys, kriittiset kentät ja vorteksien käyttäytyminen — riippuvat materiaalista ja määrittävät, miten ilmiötä voidaan hyödyntää käytännössä.
Meissnerin ilmiö, joka osoitetaan leijuttamalla magneetti kuparipohjaisen suprajohteen yläpuolella, jota jäähdytetään nestemäisellä typellä.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Meissnerin vaikutus?
V: Se on sitä, kun magneettikenttä työntyy ulos suprajohteesta, kun se muuttuu suprajohtavaksi.
K: Mitä magneettikentälle tapahtuu, kun suprajohde asetetaan suuren magneetin sisään?
V: Magneettikenttä on paljon pienempi kuin se oli ulkopuolella, ja mitä syvemmälle katsot, sitä lähempänä se on nollaa.
K: Miten suprajohteet eroavat täydellisistä johtimista magneettikenttien suhteen?
V: Suprajohteet eivät päästä magneettikenttiä lävitseen toisin kuin täydelliset johtimet.
K: Kuka löysi Meissnerin ilmiön?
V: Walter Meissner ja Robert Ochsenfeld löysivät ilmiön vuonna 1933.
K: Miten Meissnerin ilmiö saa magneetin leijumaan nestemäisellä typellä jäähdytetyn suprajohtavan levyn yläpuolella?
V: Suprajohde toimii kuin vastakkaiseen suuntaan osoittava magneetti, joka estää magneettikenttää menemästä suprajohteeseen. Tämä hylkii oikeaa magneettia ja estää sitä tulemasta lähemmäksi.
K: Miksi magneettikenttä suprajohteen ulkopuolella vahvistuu?
V: Magneettikenttä ei pääse suprajohteen läpi, joten se voimistuu aivan suprajohteen ulkopuolella.
K: Mikä on yksi esimerkki Meissnerin vaikutuksesta?
V: Yksi esimerkki Meissnerin vaikutuksesta on magneetti, joka leijuu nestemäisellä typellä jäähdytetyn suprajohtavan levyn yläpuolella.
Etsiä