تأثير مايسنر

في فيزياء المادة المكثفة ، يُعرف تأثير مايسنر (أو تأثير مايسنر-أوكسنفيلد ) بأنه طرد مجال مغناطيسي من موصل فائق أثناء انتقاله إلى حالة الموصلية الفائقة عند تبريده إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة. هذا الطرد سيؤدي إلى تنافر مغناطيس قريب .

اكتشف الفيزيائيان الألمانيان فالتر مايسنر وروبرت أوكسنفيلد ^{[ 1 ]} هذه الظاهرة عام 1933 بقياس توزيع المجال المغناطيسي خارج عينات من القصدير والرصاص فائقة التوصيل. ^{[ 2 ]} تم تبريد العينات، في وجود مجال مغناطيسي خارجي، إلى ما دون درجة حرارة انتقالها إلى حالة التوصيل الفائق ، مما أدى إلى إلغاء جميع المجالات المغناطيسية الداخلية تقريبًا. وقد رصدا هذا التأثير بشكل غير مباشر فقط لأن التدفق المغناطيسي محفوظ في الموصل الفائق: فعندما يقل المجال الداخلي، يزداد المجال الخارجي. أثبتت التجربة لأول مرة أن الموصلات الفائقة ليست مجرد موصلات مثالية ، وقدمت خاصية فريدة تميز حالة الموصل الفائق. وتتحدد قدرة هذه الظاهرة على الطرد بطبيعة التوازن الناتج عن التعادل داخل الخلية الأساسية للموصل الفائق.

تم تقديم تفسير ظاهري لتأثير مايسنر من قبل الأخوين فريتز وهاينز لندن ، اللذين أظهرا أن الطاقة الكهرومغناطيسية الحرة في الموصل الفائق يتم تقليلها إلى الحد الأدنى بشرط

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

حيث H هو المجال المغناطيسي و λ هو عمق اختراق لندن .

تُعرف هذه المعادلة بمعادلة لندن ، وتتنبأ بأن المجال المغناطيسي في الموصل الفائق يتلاشى أُسّيًا من أي قيمة يمتلكها على السطح. ويُعدّ هذا الاستبعاد للمجال المغناطيسي مظهرًا من مظاهر المغناطيسية الفائقة المعاكسة التي تظهر أثناء الانتقال الطوري من موصل إلى موصل فائق، على سبيل المثال عن طريق خفض درجة الحرارة إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة.

في مجال مغناطيسي ضعيف (أقل من المجال الحرج الذي يُنهي حالة الموصلية الفائقة)، يطرد الموصل الفائق معظم التدفق المغناطيسي عن طريق توليد تيارات كهربائية قرب سطحه، حيث يُحفز المجال المغناطيسي H مغنطة M ضمن عمق اختراق لندن من السطح. تحمي هذه التيارات السطحية الجزء الداخلي من الموصل الفائق من المجال الخارجي. ولأن طرد المجال، أو إلغاؤه، لا يتغير مع الزمن، فإن التيارات التي تُنتج هذا التأثير (وتُسمى التيارات المستمرة أو تيارات الحجب) لا تتلاشى مع الزمن.

بالقرب من السطح، ضمن عمق اختراق لندن ، لا يتم إلغاء المجال المغناطيسي تمامًا. لكل مادة فائقة التوصيل عمق اختراق مميز خاص بها.

أي موصل مثالي سيمنع أي تغيير في التدفق المغناطيسي المار عبر سطحه نتيجة للحث الكهرومغناطيسي العادي عند مقاومة صفرية. مع ذلك، يختلف تأثير مايسنر عن ذلك: فعندما يُبرَّد موصل عادي بحيث ينتقل إلى حالة فائقة التوصيل في وجود مجال مغناطيسي ثابت، يُطرد التدفق المغناطيسي أثناء هذا الانتقال. لا يمكن تفسير هذا التأثير بالموصلية اللانهائية، وإنما فقط بمعادلة لندن. إن وضع مغناطيس ثم رفعه فوق مادة فائقة التوصيل لا يُظهر تأثير مايسنر، بينما يُظهره مغناطيس ساكن في البداية يتنافر لاحقًا مع مادة فائقة التوصيل أثناء تبريدها إلى ما دون درجة حرارتها الحرجة .

يُعتقد خطأً أن التيارات المستمرة الموجودة في الموصل الفائق لطرد المجال المغناطيسي ناتجة عن قانون لينز أو قانون فاراداي . والسبب في عدم صحة هذا الاعتقاد هو عدم حدوث أي تغيير في التدفق المغناطيسي لتحفيز هذا التيار. تفسير آخر هو أنه بما أن الموصل الفائق لا يُظهر أي مقاومة، فلا يمكن أن تتولد قوة دافعة كهربائية فيه. وبالتالي، فإن التيار المستمر ليس ناتجًا عن قانون فاراداي.

تُظهر الموصلات الفائقة في حالة مايسنر مغناطيسية معاكسة مثالية، أو مغناطيسية معاكسة فائقة ، مما يعني أن المجال المغناطيسي الكلي يقترب جدًا من الصفر في أعماقها (على أعماق اختراق كبيرة من السطح). وهذا يعني أن قابليتها المغناطيسية الحجمية هي${\displaystyle \chi _{v}}$= −1. تُعرَّف المواد ذات المغناطيسية المعاكسة بتوليد مغنطة تلقائية للمادة تُعاكس اتجاه المجال المُطبَّق. مع ذلك، تختلف الأصول الأساسية للمغناطيسية المعاكسة في الموصلات الفائقة والمواد العادية اختلافًا كبيرًا. في المواد العادية، تنشأ المغناطيسية المعاكسة كنتيجة مباشرة للدوران المداري للإلكترونات حول نواة الذرة، والذي يُستحث كهرومغناطيسيًا بتطبيق مجال خارجي. أما في الموصلات الفائقة، فينشأ وهم المغناطيسية المعاكسة الكاملة من تيارات الحجب المستمرة التي تتدفق لتُعاكس المجال المُطبَّق (تأثير مايسنر)؛ وليس فقط من الدوران المداري.

أدى اكتشاف تأثير مايسنر إلى ظهور النظرية الظاهراتية للموصلية الفائقة على يد فريتز وهاينز لندن عام 1935. وقد فسّرت هذه النظرية النقل عديم المقاومة وتأثير مايسنر، وسمحت بوضع أولى التنبؤات النظرية للموصلية الفائقة. مع ذلك، اقتصرت هذه النظرية على تفسير الملاحظات التجريبية فقط، ولم تُمكن من تحديد الأصول المجهرية لخصائص الموصلية الفائقة. وقد نجحت نظرية BCS في ذلك عام 1957، والتي انبثق منها مفهوم عمق الاختراق وتأثير مايسنر. ^{[ 3 ]} ومع ذلك، يرى بعض الفيزيائيين أن نظرية BCS لا تُفسر تأثير مايسنر. ^{[ 4 ]}

• 
  وُضِعَت أسطوانة من القصدير - في قارورة ديوار مملوءة بالهيليوم السائل - بين قطبي مغناطيس كهربائي. يبلغ المجال المغناطيسي حوالي 8 ملي تسلا (80 غاوس ).
• 
  درجة الحرارة T = 4.2  كلفن، المجال المغناطيسي B = 8  ملي تسلا (80 غاوس). القصدير في حالة التوصيل الطبيعي. تشير إبر البوصلة إلى أن التدفق المغناطيسي يخترق الأسطوانة.
• 
  تم تبريد الأسطوانة من 4.2  كلفن إلى 1.6  كلفن. تم الحفاظ على التيار في المغناطيس الكهربائي ثابتًا، لكن القصدير أصبح موصلًا فائقًا عند حوالي 3  كلفن. تم طرد التدفق المغناطيسي من الأسطوانة (تأثير مايسنر).

يُعد تأثير مايسنر للموصلية الفائقة نموذجًا مهمًا لآلية توليد كتلة M (أي نطاق متبادل ،${\displaystyle \lambda _{M}:=h/(Mc)}$حيث h هو ثابت بلانك و c هي سرعة الضوء ) لحقل قياسي . في الواقع، هذا التشبيه هو مثال أبلي لآلية هيغز ، ^{[ 5 ]} التي تولد كتل الجسيمات الكهروضعيفة W ^±وجسيمات مقياس Z في فيزياء الطاقة العالية . الطول${\displaystyle \lambda _{M}}$وهو مطابق لعمق اختراق لندن في نظرية الموصلية الفائقة . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

• تثبيت التدفق
• تأثير سيلسبي
• الميوعة الفائقة

• أينشتاين، أ. (1922). "ملاحظة نظرية حول الموصلية الفائقة للمعادن". arXiv : physics/0510251 .
• لندن، إف دبليو (1961). "النظرية الماكروسكوبية للموصلية الفائقة". الموائع الفائقة . سلسلة بنية المادة. المجلد  1 (  الطبعة الثانية المنقحة). دوفر . OCLC 439791906 . بقلم الرجل الذي شرح تأثير مايسنر. الصفحات  34-37 تقدم مناقشة فنية لتأثير مايسنر بالنسبة للكرة فائقة التوصيل.
• ساسلو، دبليو إم (2002). الكهرباء والمغناطيسية والضوء . أكاديميك. ISBN 978-0-12-619455-5.تقدم الصفحات  486-489 مناقشة رياضية بسيطة للتيارات السطحية المسؤولة عن تأثير مايسنر، في حالة مغناطيس طويل معلق فوق مستوى فائق التوصيل.
• تينكهام، م. (2004). مقدمة في الموصلية الفائقة . كتب دوفر في الفيزياء (  الطبعة الثانية). دوفر. ISBN 978-0-486-43503-9.مرجع تقني جيد.

• تأثير مايسنر - محاضرات فاينمان في الفيزياء
• تأثير مايسنر (العلم من الصفر) فيديو قصير من إمبريال كوليدج لندن حول تأثير مايسنر والقطارات المعلقة في المستقبل.
• مقدمة عن الموصلية الفائقة فيديو عن الموصلات الفائقة من النوع 1: R = 0/درجات حرارة الانتقال/ B متغير حالة/تأثير مايسنر/فجوة الطاقة (جيايفر)/نموذج BCS.
• تأثير مايسنر (الفيزياء الفائقة)
• الخلفية التاريخية لتأثير مايسنر