Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Знакомый с явлением электромагнитной индукции (см. главу 16, врезку «Электромагнитная индукция») читатель может предположить, что подобный эффект возникает лишь при помещении сверхпроводника между полюсами магнита. При этом магнитный поток, пронизывающий площадь сверхпроводника, должен был бы изменяться, что породило бы электродвижущую силу, и в результате в сверхпроводнике должен был бы возникнуть бесконечно большой ток, который разрушил бы сверхпроводимость.

3. Эффект Мейснера – Оксенфельда. На поверхности сверхпроводника, помещенного во внешнее поле B^→_внеш, возникает электрический ток (красные стрелки). Этот ток создает внутри вещества магнитное поле B^→_внутр, которое точно компенсирует внешнее поле

Напомним, что в физике существует общий принцип Ле Шателье, который утверждает, что если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (в нашем случае – внешнее магнитное поле), то в системе возникают процессы, направленные в сторону противодействия изменениям.

Поэтому сверхпроводнику проще пустить по своей поверхности конечный бездиссипативный ток, который просто устранит эффект внешнего поля, сведя к нулю изменения магнитного потока. Конечно, этот ток не должен стать больше критического, убивающего сверхпроводимость. Поэтому эффект Мейснера – Оксенфельда имеет место для не слишком сильных полей.

Ну а если в магнитное поле поместить массивный сверхпроводник в его нормальном состоянии при температуре выше критической, а лишь затем охлаждением перевести его в сверхпроводящее состояние? Казалось бы, что при этом ненулевой магнитный поток, пронизывавший сверхпроводник при высокой температуре, должен в нем и оставаться. Поэтому при такой постановке эксперимента и поверхностных токов появиться не должно – именно этого ожидал Мейснер. Он поставил соответствующий эксперимент и, к своему удивлению, обнаружил, что магнитное поле внутри сверхпроводника стало нулевым, что указало на возникновение в нем поверхностных токов и в такой постановке опыта.

В чем же здесь дело? Почему магнитный поток не заморозился в объеме сверхпроводника? Причиной такого поведения являются флуктуации – отклонения системы от равновесия. Представьте себе, что в некоторой малой области сверхпроводника уже имеющееся магнитное поле слегка изменится. Тогда чуть-чуть изменится и магнитный поток, а вслед за этим появится и малая электродвижущая сила. Но ведь сопротивление равно нулю, поэтому такая флуктуация породила бы бесконечный ток, который убил бы сверхпроводимость. Для сохранения своего состояния сверхпроводнику проще пустить по своей поверхности ток конечной плотности, изгнав при этом из своего объема магнитный поток вообще.

Возникающие поверхностные токи имеют еще одно впечатляющее проявление: порождаемое ими вне сверхпроводника магнитное поле способно отталкивать магнит таким образом, что последний левитирует (то есть парит) над ним (илл. 4 и 5).

4. Постоянный магнит левитирует над сверхпроводником

5. Объяснение явления левитации магнита над сверхпроводником. При наличии порождаемого магнитом поля B^→₁ на верхней поверхности сверхпроводника возникает сверхпроводящий ток, генерирующий магнитное поле B^→₂. Это поле, очевидно, направлено противоположно B^→₁. Взаимодействие магнита с полем приводит к появлению действующей на магнит силы, которая уравновешивает его вес. В результате магнит зависает над сверхпроводником

Вихри Абрикосова

Эффект Мейснера – Оксенфельда обычно возникает, только если внешнее поле относительно слабое. Если поле слишком сильное, то сверхпроводник не в состоянии его вытолкнуть и, как было уже упомянуто выше, переходит в свое нормальное состояние. Таким образом, при помещении сверхпроводника в магнитное поле имеется только два варианта: либо сверхпроводник перейдет в свое нормальное состояние, впустив в себя магнитное поле, либо поле в сверхпроводнике станет равным нулю.