Meissner-Effekt und seine Verwendung

Der Meissner-Effekt oder Meissner-Oxenfeld-Effekt besteht in der Verschiebung eines Magnetfelds aus der Masse des Supraleiters während seines Übergangs in den supraleitenden Zustand. Dieses Phänomen wurde 1933 von den deutschen Physikern Walter Meissner und Robert Oxenfeld entdeckt, die die Verteilung des Magnetfelds außerhalb supraleitender Proben aus Zinn und Blei maßen.

Walter Meissner

In dem Experiment wurden die Supraleiter in Gegenwart eines angelegten Magnetfelds unter ihre supraleitende Übergangstemperatur abgekühlt, bis fast das gesamte interne Magnetfeld der Proben zurückgesetzt wurde. Der Effekt wurde von Wissenschaftlern nur indirekt nachgewiesen, denn der magnetische Fluss des Supraleiters bleibt erhalten: Wenn das Magnetfeld im Inneren der Probe abnimmt, nimmt das äußere Magnetfeld zu.

Damit zeigte das Experiment erstmals deutlich, dass Supraleiter nicht nur ideale Leiter sind, sondern auch eine einzigartige definierende Eigenschaft des supraleitenden Zustands aufweisen.Die Fähigkeit, das Magnetfeld zu verschieben, wird durch die Art des Gleichgewichts bestimmt, das durch Neutralisation innerhalb der Elementarzelle des Supraleiters entsteht.

Ein Supraleiter mit geringem oder keinem Magnetfeld soll sich im Meissner-Zustand befinden. Der Meissner-Zustand bricht jedoch zusammen, wenn das angelegte Magnetfeld zu stark ist.

An dieser Stelle ist zu beachten, dass Supraleiter je nachdem, wie dieser Verstoß auftritt, in zwei Klassen eingeteilt werden können. Bei Supraleitern des ersten Typs wird die Supraleitung abrupt verletzt, wenn die Stärke des angelegten Magnetfelds den kritischen Wert Hc überschreitet.

Abhängig von der Geometrie der Probe kann ein Zwischenzustand erreicht werden, ähnlich dem exquisiten Muster aus Regionen aus normalem Material, die ein Magnetfeld tragen, gemischt mit Regionen aus supraleitendem Material, in denen kein Magnetfeld vorhanden ist.

Bei Supraleitern vom Typ II führt die Erhöhung der angelegten Magnetfeldstärke auf den ersten kritischen Wert Hc1 zu einem Mischzustand (auch Wirbelzustand genannt), in dem immer mehr magnetischer Fluss in das Material eindringt, elektrischem Strom jedoch kein Widerstand mehr entgegensteht es sei denn, dieser Strom ist nicht zu hoch.

Beim Wert der zweiten kritischen Stärke Hc2 wird der supraleitende Zustand zerstört. Der gemischte Zustand wird durch Wirbel in einer supraflüssigen Elektronenflüssigkeit verursacht, die manchmal Fluxonen (Fluxon-Quantum des magnetischen Flusses) genannt werden, weil der von diesen Wirbeln getragene Fluss quantisiert ist.

Die reinsten elementaren Supraleiter, mit Ausnahme von Niob und Kohlenstoffnanoröhren, gehören zur ersten Art, während fast alle Verunreinigungen und komplexen Supraleiter zur zweiten Art gehören.

Phänomenologisch wurde der Meissner-Effekt von den Brüdern Fritz und Heinz London erklärt, die zeigten, dass die elektromagnetische freie Energie eines Supraleiters unter der Bedingung minimiert wird:

Diese Bedingung wird London-Gleichung genannt. Er sagte voraus, dass das Magnetfeld in einem Supraleiter exponentiell abnimmt, je nachdem, welchen Wert es an der Oberfläche hat.

Wird ein schwaches Magnetfeld angelegt, verdrängt der Supraleiter fast den gesamten magnetischen Fluss. Dies ist auf das Auftreten elektrischer Ströme in der Nähe seiner Oberfläche zurückzuführen. Das Magnetfeld der Oberflächenströme neutralisiert das angelegte Magnetfeld im Volumen des Supraleiters. Da sich die Verschiebung oder Unterdrückung des Feldes im Laufe der Zeit nicht ändert, bedeutet dies, dass die Ströme, die diesen Effekt erzeugen (Gleichströme), im Laufe der Zeit nicht abklingen.

Nahe der Oberfläche der Probe, innerhalb der Londoner Tiefe, fehlt das Magnetfeld nicht vollständig. Jedes supraleitende Material hat seine eigene magnetische Eindringtiefe.

Jeder perfekte Leiter verhindert jegliche Änderung des magnetischen Flusses, der durch seine Oberfläche fließt, aufgrund der normalen elektromagnetischen Induktion bei einem Widerstand von Null. Der Meissner-Effekt unterscheidet sich jedoch von diesem Phänomen.

Wenn ein herkömmlicher Leiter in Gegenwart eines permanent angelegten Magnetfelds in einen supraleitenden Zustand abgekühlt wird, wird bei diesem Übergang der magnetische Fluss verworfen. Dieser Effekt kann nicht durch unendliche Leitfähigkeit erklärt werden.

Die Platzierung und anschließende Levitation eines Magneten auf einem bereits supraleitenden Material führt nicht zum Meissner-Effekt, wohingegen der Meissner-Effekt auftritt, wenn der zunächst stationäre Magnet später vom auf eine kritische Temperatur abgekühlten Supraleiter abgestoßen wird.

Im Meissner-Zustand weisen Supraleiter perfekten Diamagnetismus oder Superdiamagnetismus auf. Dies bedeutet, dass das gesamte Magnetfeld tief in ihnen, weit nach innen von der Oberfläche, sehr nahe Null ist. Magnetische Suszeptibilität -1.

Diamagnetismus wird durch die Erzeugung einer spontanen Magnetisierung eines Materials definiert, die der Richtung eines von außen angelegten Magnetfelds genau entgegengesetzt ist. Der grundlegende Ursprung des Diamagnetismus in Supraleitern und normalen Materialien ist jedoch sehr unterschiedlich.

In gewöhnlichen Materialien entsteht Diamagnetismus als direkte Folge der elektromagnetisch induzierten Orbitalrotation von Elektronen um Atomkerne, wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird. In Supraleitern entsteht die Illusion eines perfekten Diamagnetismus durch konstante Abschirmströme, die gegen das angelegte Feld fließen (der Meissner-Effekt selbst), und nicht nur durch den Orbitalspin.

Die Entdeckung des Meissner-Effekts führte 1935 zur phänomenologischen Theorie der Supraleitung durch Fritz und Heinz London. Diese Theorie erklärt das Verschwinden des Widerstands und den Meissner-Effekt. Dies ermöglichte uns die ersten theoretischen Vorhersagen zur Supraleitung.

Diese Theorie erklärt jedoch nur die experimentellen Beobachtungen, erlaubt jedoch nicht die Identifizierung des makroskopischen Ursprungs der supraleitenden Eigenschaften.Dies gelang später, im Jahr 1957, mit der Bardeen-Cooper-Schriefer-Theorie, aus der sich sowohl die Eindringtiefe als auch der Meissner-Effekt ergeben. Einige Physiker argumentieren jedoch, dass die Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie den Meissner-Effekt nicht erklärt.

Der Meissner-Effekt wird nach folgendem Prinzip angewendet. Wenn die Temperatur eines supraleitenden Materials einen kritischen Wert überschreitet, ändert sich das Magnetfeld um es herum abrupt, was zur Erzeugung eines EMF-Impulses in der um dieses Material gewickelten Spule führt. Und wenn sich der Strom der Steuerspule ändert, kann der magnetische Zustand des Materials gesteuert werden. Dieses Phänomen wird genutzt, um mit speziellen Sensoren ultraschwache Magnetfelder zu messen.

Ein Kryotron ist ein Schaltgerät, das auf dem Meissner-Effekt basiert. Strukturell besteht es aus zwei Supraleitern. Um einen Tantalstab ist eine Niobspule gewickelt, durch die ein Steuerstrom fließt.

Mit zunehmendem Steuerstrom nimmt die Stärke des Magnetfeldes zu und das Tantal geht vom supraleitenden Zustand in den gewöhnlichen Zustand über. In diesem Fall ändern sich die Leitfähigkeit des Tantaldrahts und der Betriebsstrom im Steuerkreis nichtlinear Benehmen. Auf Basis von Kryotrons entstehen beispielsweise gesteuerte Ventile.