Effet Meissner - Meissner effect

Schéma de l'effet Meissner. Les lignes de champ magnétique, représentées par des flèches, sont exclues d'un supraconducteur lorsqu'il est en dessous de sa température critique.

L' effet Meissner (ou effet Meissner-Ochsenfeld ) est l'expulsion d'un champ magnétique d'un supraconducteur lors de sa transition vers l'état supraconducteur lorsqu'il est refroidi en dessous de la température critique. Cette expulsion repoussera un aimant à proximité.

Les physiciens allemands Walther Meissner et Robert Ochsenfeld ont découvert ce phénomène en 1933 en mesurant la distribution du champ magnétique à l'extérieur d'échantillons supraconducteurs d'étain et de plomb. Les échantillons, en présence d'un champ magnétique appliqué, ont été refroidis en dessous de leur température de transition supraconductrice , après quoi les échantillons ont annulé presque tous les champs magnétiques intérieurs. Ils n'ont détecté cet effet qu'indirectement car le flux magnétique est conservé par un supraconducteur : lorsque le champ intérieur diminue, le champ extérieur augmente. L'expérience a démontré pour la première fois que les supraconducteurs étaient plus que de simples conducteurs parfaits et fournissaient une propriété unique de définition de l'état supraconducteur. La capacité de l'effet d'expulsion est déterminée par la nature de l'équilibre formé par la neutralisation au sein de la cellule unitaire d'un supraconducteur.

Un supraconducteur contenant peu ou pas de champ magnétique est dit dans l'état Meissner. L'état Meissner s'effondre lorsque le champ magnétique appliqué est trop fort. Les supraconducteurs peuvent être divisés en deux classes selon la façon dont se produit ce claquage.

Dans les supraconducteurs de type I , la supraconductivité est brutalement détruite lorsque l'intensité du champ appliqué dépasse une valeur critique H _c . Selon la géométrie de l'échantillon, on peut obtenir un état intermédiaire constitué d'un motif baroque de régions de matériau normal portant un champ magnétique mélangé à des régions de matériau supraconducteur ne contenant aucun champ.

Dans les supraconducteurs de type II , l'augmentation du champ appliqué au-delà d'une valeur critique H _{c 1} conduit à un état mixte (également connu sous le nom d'état vortex) dans lequel une quantité croissante de flux magnétique pénètre dans le matériau, mais il ne reste aucune résistance à l' électricité courant tant que le courant n'est pas trop important. A une seconde intensité de champ critique H _{c 2} , la supraconductivité est détruite. L'état mixte est provoqué par des tourbillons dans le superfluide électronique, parfois appelés fluxons car le flux transporté par ces tourbillons est quantifié . La plupart des supraconducteurs élémentaires purs , à l'exception du niobium et des nanotubes de carbone , sont de type I, tandis que presque tous les supraconducteurs impurs et composés sont de type II.

Explication

L' effet Meissner a reçu une explication phénoménologique des frères Fritz et Heinz London , qui ont montré que l' énergie électromagnétique libre dans un supraconducteur est minimisée à condition

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

où H est le champ magnétique et est la profondeur de pénétration de London .

Cette équation, connue sous le nom d' équation de Londres , prédit que le champ magnétique dans un supraconducteur décroît de façon exponentielle à partir de la valeur qu'il possède à la surface. Cette exclusion du champ magnétique est une manifestation du superdiamagnétisme apparu lors de la transition de phase conducteur à supraconducteur, par exemple en abaissant la température en dessous de la température critique.

Dans un champ appliqué faible (inférieur au champ critique qui décompose la phase supraconductrice), un supraconducteur expulse presque tout le flux magnétique en créant des courants électriques près de sa surface, car le champ magnétique H induit une magnétisation M dans la profondeur de pénétration de Londres depuis le surface. Ces courants de surface protègent la masse interne du supraconducteur du champ externe appliqué. Comme l'expulsion ou l'annulation du champ ne change pas avec le temps, les courants produisant cet effet (appelés courants persistants ou courants d'écran) ne décroissent pas avec le temps.

Près de la surface, à l'intérieur de la profondeur de pénétration de Londres , le champ magnétique n'est pas complètement annulé. Chaque matériau supraconducteur a sa propre profondeur de pénétration caractéristique.

Tout conducteur parfait empêchera toute modification du flux magnétique traversant sa surface en raison de l'induction électromagnétique ordinaire à résistance nulle. Cependant, l'effet Meissner est distinct de cela : lorsqu'un conducteur ordinaire est refroidi de sorte qu'il effectue la transition vers un état supraconducteur en présence d'un champ magnétique appliqué constant, le flux magnétique est expulsé pendant la transition. Cet effet ne peut pas être expliqué par une conductivité infinie, mais seulement par l'équation de Londres. Le placement et la lévitation subséquente d'un aimant au-dessus d'un matériau déjà supraconducteur ne démontrent pas l'effet Meissner, alors qu'un aimant initialement stationnaire est ensuite repoussé par un supraconducteur lorsqu'il est refroidi en dessous de sa température critique .

Les courants persistants qui existent dans le supraconducteur pour expulser le champ magnétique sont généralement mal compris en raison de la loi de Lenz ou de la loi de Faraday. Une raison pour laquelle ce n'est pas le cas est qu'aucun changement de flux n'a été effectué pour induire le courant. Une autre explication est que puisque le supraconducteur subit une résistance nulle, il ne peut pas y avoir de force électromotrice induite dans le supraconducteur. Le courant persistant n'est donc pas le résultat de la loi de Faraday.

Diamagnétisme parfait

Les supraconducteurs à l'état de Meissner présentent un diamagnétisme parfait, ou superdiamagnétisme , ce qui signifie que le champ magnétique total est très proche de zéro à l'intérieur d'eux (de nombreuses profondeurs de pénétration à partir de la surface). Cela signifie que leur susceptibilité magnétique en volume est = -1. Les diamagnétiques sont définis par la génération d'une aimantation spontanée d'un matériau qui s'oppose directement à la direction d'un champ appliqué. Cependant, les origines fondamentales du diamagnétisme dans les supraconducteurs et les matériaux normaux sont très différentes. Dans les matériaux normaux, le diamagnétisme résulte directement du spin orbital des électrons autour des noyaux d'un atome induit électromagnétiquement par l'application d'un champ appliqué. Dans les supraconducteurs, l'illusion d'un diamagnétisme parfait provient de courants d'écran persistants qui s'opposent au champ appliqué (effet Meissner) ; pas seulement le spin orbital. ${\displaystyle \chi _{v}}$

Conséquences

La découverte de l'effet Meissner a conduit à la théorie phénoménologique de la supraconductivité par Fritz et Heinz London en 1935. Cette théorie a expliqué le transport sans résistance et l'effet Meissner, et a permis de faire les premières prédictions théoriques de la supraconductivité. Cependant, cette théorie n'expliquait que des observations expérimentales, elle ne permettait pas d'identifier les origines microscopiques des propriétés supraconductrices. Cela a été fait avec succès par la théorie BCS en 1957, d'où résultent la profondeur de pénétration et l'effet Meissner. Cependant, certains physiciens soutiennent que la théorie BCS n'explique pas l'effet Meissner.

• 

  Un cylindre d'étain - dans un flacon Dewar rempli d'hélium liquide - a été placé entre les pôles d'un électro-aimant. Le champ magnétique est d'environ 8 milliteslas (80 G ).

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  T = 4,2 K, B = 8 mT (80 G). L'étain est dans l'état normalement conducteur. Les aiguilles de la boussole indiquent que le flux magnétique imprègne le cylindre.

• 

  Le cylindre a été refroidi de 4,2 K à 1,6 K. Le courant dans l'électroaimant a été maintenu constant, mais l'étain est devenu supraconducteur à environ 3 K. Le flux magnétique a été expulsé du cylindre (effet Meissner).

Paradigme du mécanisme de Higgs

L'effet de supraconductivité Meissner sert de paradigme important pour le mécanisme de génération d'une masse M (c'est-à-dire une plage réciproque , où h est la constante de Planck et c est la vitesse de la lumière ) pour un champ de jauge . En fait, cette analogie est un exemple abélien pour le mécanisme de Higgs , qui génère les masses de l' électrofaible${\displaystyle \lambda _{M}:=h/(Mc)}$
W^±
et
Z
particules de jauge en physique des hautes énergies . La longueur est identique à la profondeur de pénétration de Londres dans la théorie de la supraconductivité . ${\displaystyle \lambda _{M}}$

Voir également

• Superfluide
• supraconducteur de type I
• supraconducteur de type II
• Épinglage de flux

Les références

Lectures complémentaires

• Einstein, A. (1922). « Remarque théorique sur la supraconductivité des métaux ». arXiv : physique/0510251 .
• Londres, FW (1960). « Théorie macroscopique de la supraconductivité ». Superfluides . Structure des séries de matière. 1 (Révisé 2e éd.). Douvres . ISBN 978-0-486-60044-4.Par l'homme qui a expliqué l'effet Meissner. pp. 34-37 donne une discussion technique de l'effet Meissner pour une sphère supraconductrice.
• Saslow, WM (2002). Électricité, magnétisme et lumière . Académique. ISBN 978-0-12-619455-5. pp. 486-489 donne une discussion mathématique simple des courants de surface responsables de l'effet Meissner, dans le cas d'un long aimant en lévitation au-dessus d'un plan supraconducteur.
• Tinkham, M. (2004). Introduction à la supraconductivité . Livres de Douvres sur la physique (2e éd.). Douvres. ISBN 978-0-486-43503-9. Une bonne référence technique.

Liens externes

• Le diaporama audio Maglev Trains du National High Magnetic Field Laboratory traite de la lévitation magnétique, de l'effet Meissner, du piégeage du flux magnétique et de la supraconductivité.
• Effet Meissner (Science from scratch) Courte vidéo de l'Imperial College de Londres sur l'effet Meissner et les trains en lévitation du futur.
• Vidéo d' introduction à la supraconductivité sur les supraconducteurs de type 1 : R = 0/Températures de transition/ B est une variable d'état/effet Meissner/Energy gap (Giaever)/modèle BCS.
• Effet Meissner (Hyperphysique)
• Contexte historique de l'effet Meissner