Efecto Meissner

Expulsion of a magnetic field from a superconductor

Diagrama del efecto Meissner. Las líneas de campo magnético, representadas como flechas, se excluyen de un superconductor cuando éste se encuentra por debajo de su temperatura crítica.

En física de la materia condensada , el efecto Meissner (o efecto Meißner-Ochsenfeld ) es la expulsión de un campo magnético de un superconductor durante su transición al estado superconductor cuando se enfría por debajo de la temperatura crítica. Esta expulsión repelerá un imán cercano .

Los físicos alemanes Walther Meißner (anglicanizado Meissner ) y Robert Ochsenfeld ^[1] descubrieron este fenómeno en 1933 midiendo la distribución del campo magnético en el exterior de muestras superconductoras de estaño y plomo. ^[2] Las muestras, en presencia de un campo magnético aplicado, se enfriaron por debajo de su temperatura de transición superconductora , con lo que las muestras cancelaron casi todos los campos magnéticos interiores. Detectaron este efecto solo indirectamente porque el flujo magnético se conserva en un superconductor: cuando el campo interior disminuye, el campo exterior aumenta. El experimento demostró por primera vez que los superconductores eran más que simples conductores perfectos y proporcionó una propiedad definitoria única del estado superconductor. La capacidad para el efecto de expulsión está determinada por la naturaleza del equilibrio formado por la neutralización dentro de la celda unitaria de un superconductor.

Se dice que un superconductor con poco o ningún campo magnético en su interior se encuentra en el estado de Meissner. El estado de Meissner se rompe cuando el campo magnético aplicado es demasiado fuerte. Los superconductores se pueden dividir en dos clases según cómo se produce esta ruptura.

• En los superconductores de tipo I , la superconductividad se destruye abruptamente cuando la intensidad del campo aplicado supera un valor crítico H _c . Dependiendo de la geometría de la muestra, se puede obtener un estado intermedio ^[3] que consiste en un patrón barroco ^[4] de regiones de material normal que llevan un campo magnético mezclado con regiones de material superconductor que no contienen campo.
• En los superconductores de tipo II , elevar el campo aplicado más allá de un valor crítico H _{c 1} conduce a un estado mixto (también conocido como estado de vórtice) en el que una cantidad creciente de flujo magnético penetra el material, pero no queda resistencia a la corriente eléctrica siempre que la corriente no sea demasiado grande. Algunos superconductores de tipo II exhiben una resistencia pequeña pero finita en el estado mixto debido al movimiento de los vórtices de flujo inducidos por las fuerzas de Lorentz de la corriente. Como los núcleos de los vórtices son electrones normales, su movimiento tendrá disipación. En una segunda intensidad de campo crítica H _{c 2} , se destruye la superconductividad. El estado mixto es causado por vórtices en el superfluido electrónico, a veces llamados fluxones porque el flujo transportado por estos vórtices está cuantizado .

La mayoría de los superconductores elementales puros , excepto el niobio y los nanotubos de carbono , son de tipo I, mientras que casi todos los superconductores impuros y compuestos son de tipo II.

Explicación

El efecto Meissner recibió una explicación fenomenológica de los hermanos Fritz y Heinz London , quienes demostraron que la energía libre electromagnética en un superconductor se minimiza siempre que

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {H} =\lambda ^{-2}\mathbf {H} \,}$

donde H es el campo magnético y λ es la profundidad de penetración de Londres .

Esta ecuación, conocida como ecuación de London , predice que el campo magnético en un superconductor decae exponencialmente a partir del valor que posee en la superficie. Esta exclusión del campo magnético es una manifestación del superdiamagnetismo que surge durante la transición de fase de conductor a superconductor, por ejemplo, al reducir la temperatura por debajo de la temperatura crítica.

En un campo aplicado débil (menor que el campo crítico que rompe la fase superconductora), un superconductor expulsa casi todo el flujo magnético mediante la creación de corrientes eléctricas cerca de su superficie, ya que el campo magnético H induce magnetización M dentro de la profundidad de penetración de London desde la superficie. Estas corrientes superficiales protegen la masa interna del superconductor del campo aplicado externo. Como la expulsión o cancelación del campo no cambia con el tiempo, las corrientes que producen este efecto (llamadas corrientes persistentes o corrientes de apantallamiento) no decaen con el tiempo.

Cerca de la superficie, dentro de la profundidad de penetración de London , el campo magnético no se cancela por completo. Cada material superconductor tiene su propia profundidad de penetración característica.

Cualquier conductor perfecto evitará cualquier cambio en el flujo magnético que pase a través de su superficie debido a la inducción electromagnética ordinaria con resistencia cero. Sin embargo, el efecto Meissner es distinto de esto: cuando un conductor ordinario se enfría de modo que haga la transición a un estado superconductor en presencia de un campo magnético aplicado constante, el flujo magnético se expulsa durante la transición. Este efecto no se puede explicar por la conductividad infinita, sino solo por la ecuación de London. La colocación y posterior levitación de un imán sobre un material ya superconductor no demuestra el efecto Meissner, mientras que un imán inicialmente estacionario que luego es repelido por un superconductor al enfriarse por debajo de su temperatura crítica sí lo demuestra.

Las corrientes persistentes que existen en el superconductor para expulsar el campo magnético se suelen interpretar erróneamente como resultado de la Ley de Lenz o la Ley de Faraday . Una razón por la que esto no es así es que no se produjo ningún cambio en el flujo para inducir la corriente. Otra explicación es que, dado que el superconductor experimenta resistencia cero, no puede haber una fem inducida en el superconductor. Por lo tanto, la corriente persistente no es resultado de la Ley de Faraday.

Diamagnetismo perfecto

Los superconductores en el estado Meissner exhiben un diamagnetismo perfecto, o superdiamagnetismo , lo que significa que el campo magnético total es muy cercano a cero en su interior (muchas profundidades de penetración desde la superficie). Esto significa que su susceptibilidad magnética volumétrica es = −1. El diamagnetismo se define por la generación de una magnetización espontánea de un material que se opone directamente a la dirección de un campo aplicado. Sin embargo, los orígenes fundamentales del diamagnetismo en superconductores y materiales normales son muy diferentes. En materiales normales, el diamagnetismo surge como resultado directo del giro orbital de los electrones alrededor de los núcleos de un átomo inducido electromagnéticamente por la aplicación de un campo aplicado. En los superconductores, la ilusión de diamagnetismo perfecto surge de corrientes de apantallamiento persistentes que fluyen para oponerse al campo aplicado (el efecto Meissner); no solo del giro orbital. ${\displaystyle \chi _{v}}$

Consecuencias

El descubrimiento del efecto Meissner condujo a la teoría fenomenológica de la superconductividad de Fritz y Heinz London en 1935. Esta teoría explicaba el transporte sin resistencia y el efecto Meissner, y permitió realizar las primeras predicciones teóricas sobre la superconductividad. Sin embargo, esta teoría solo explicaba las observaciones experimentales; no permitía identificar los orígenes microscópicos de las propiedades superconductoras. Esto se logró con éxito mediante la teoría BCS en 1957, de la que se derivan la profundidad de penetración y el efecto Meissner. ^[5] Sin embargo, algunos físicos sostienen que la teoría BCS no explica el efecto Meissner. ^[6]

• 
  Se ha colocado un cilindro de hojalata (en un matraz Dewar lleno de helio líquido) entre los polos de un electroimán. El campo magnético es de aproximadamente 8 militeslas (80 G ).
• 
  T = 4,2 K, B = 8 mT (80 G). El estaño se encuentra en estado de conducción normal. Las agujas de la brújula indican que el flujo magnético atraviesa el cilindro.
• 
  El cilindro se ha enfriado de 4,2 K a 1,6 K. La corriente en el electroimán se ha mantenido constante, pero el estaño se ha vuelto superconductor a unos 3 K. El flujo magnético ha sido expulsado del cilindro (efecto Meissner).

Paradigma del mecanismo de Higgs

El efecto de superconductividad de Meissner sirve como un paradigma importante para el mecanismo de generación de una masa M (es decir, un rango recíproco , donde h es la constante de Planck y c es la velocidad de la luz ) para un campo de calibración . De hecho, esta analogía es un ejemplo abeliano para el mecanismo de Higgs , ^[7] que genera las masas de los electrones electrodébiles. ${\displaystyle \lambda _{M}:=h/(Mc)}$
Yo^±
y
O
Partículas de calibre en física de alta energía . La longitud es idéntica a la profundidad de penetración de London en la teoría de la superconductividad . ^{[8] [9]} ${\displaystyle \lambda _{M}}$

Véase también

• Portal de física
• Portal de la ciencia

• Fijación de flujo
• Efecto Silsbee
• Superfluido

Referencias

1. "Efecto Meissner | Física". Enciclopedia Británica . Consultado el 22 de abril de 2017 .
2. Meissner, W.; Ochsenfeld, R. (1933). "Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit". Naturwissenschaften . 21 (44): 787–788. Código bibliográfico : 1933NW.....21..787M. doi :10.1007/BF01504252. S2CID  37842752.
3. Landau, LD; Lifschitz, EM (1984). Electrodinámica de medios continuos . Curso de física teórica . Vol. 8 (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN. 0-7506-2634-8.
4. Callaway, DJE (1990). "Sobre la notable estructura del estado intermedio superconductor". Física nuclear B . 344 (3): 627–645. Código Bibliográfico :1990NuPhB.344..627C. doi :10.1016/0550-3213(90)90672-Z.
5. Bardeen, J.; Cooper, LN; Schrieffer, JR (1957). "Teoría de la superconductividad". Physical Review . 106 (1175): 162–164. Bibcode :1957PhRv..106..162B. doi : 10.1103/physrev.106.162 .
6. Hirsch, JE (2012). "El origen del efecto Meissner en superconductores nuevos y antiguos". Physica Scripta . 85 (3): 035704. arXiv : 1201.0139 . Bibcode :2012PhyS...85c5704H. doi :10.1088/0031-8949/85/03/035704. S2CID  118418121.
7. Higgs, PW (1966). "Ruptura espontánea de simetría sin bosones sin masa". Physical Review . 145 (4): 1156–1163. Código Bibliográfico :1966PhRv..145.1156H. doi : 10.1103/PhysRev.145.1156 .
8. Wilczek, F. (2000). "El reciente entusiasmo en la QCD de alta densidad". Física nuclear A . 663 : 257–271. arXiv : hep-ph/9908480 . Código Bibliográfico :2000NuPhA.663..257W. doi :10.1016/S0375-9474(99)00601-6. S2CID  119354272.
9. Weinberg, S. (1986). "Superconductividad para teóricos particulares". Suplemento del Progreso de la Física Teórica . 86 : 43–53. Bibcode :1986PThPS..86...43W. doi : 10.1143/PTPS.86.43 .

Lectura adicional

• Einstein, A. (1922). "Observación teórica sobre la superconductividad de los metales". arXiv : physics/0510251 .
• Londres, FW (1960). "Teoría macroscópica de la superconductividad". Superfluidos . Serie Estructura de la materia. Vol. 1 (2.ª ed. revisada). Dover . ISBN 978-0-486-60044-4.Por el hombre que explicó el efecto Meissner. Págs. 34-37. Se ofrece una discusión técnica del efecto Meissner para una esfera superconductora.
• Saslow, WM (2002). Electricidad, magnetismo y luz . Académico. ISBN 978-0-12-619455-5.Las páginas 486-489 ofrecen una discusión matemática simple de las corrientes superficiales responsables del efecto Meissner, en el caso de un imán largo levitado sobre un plano superconductor.
• Tinkham, M. (2004). Introducción a la superconductividad . Dover Books on Physics (2.ª ed.). Dover. ISBN 978-0-486-43503-9.Una buena referencia técnica.

Enlaces externos

• El efecto Meissner - Las conferencias Feynman sobre física
• Efecto Meissner (Ciencia desde cero) Breve vídeo del Imperial College de Londres sobre el efecto Meissner y los trenes levitantes del futuro.
• Introducción a la superconductividad Vídeo sobre superconductores tipo 1: R = 0/Temperaturas de transición/ B es una variable de estado/Efecto Meissner/Brecha de energía (Giaever)/Modelo BCS.
• Efecto Meissner (Hiperfísica)
• Antecedentes históricos del efecto Meissner