ปรากฏการณ์ไมสเนอร์และทฤษฎีลอนดอน

ตัวนำยวดยิ่งจะขับสนามแม่เหล็กออกจากภายในของมัน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ไมสเนอร์ และสมการลอนดอนอธิบายว่ากระแสบังหน้าผิว (surface screening current) กักเก็บสนามแม่เหล็กที่หลงเหลืออยู่ในชั้นการแทรกซึมที่บางได้อย่างไร

Definition

ปรากฏการณ์ไมสเนอร์คือการขับสนามแม่เหล็กออกจากภายในของตัวนำยวดยิ่งที่ถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตอย่างกระตือรือร้น ทฤษฎีลอนดอนอธิบายปรากฏการณ์นี้โดยการตั้งสมมติฐานสมการสำหรับกระแสยวดยิ่ง (supercurrent) ที่กักเก็บสนามแม่เหล็กใดๆ ไว้ในชั้นผิวที่มีความหนาเท่ากับความลึกของการแทรกซึมของลอนดอน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่สำคัญของสภาพนำยวดยิ่ง: ปรากฏการณ์ไมสเนอร์-ออคเซนเฟลด์ (Meissner-Ochsenfeld effect) ของการขับสนามแม่เหล็กออกทั้งหมด ซึ่งเป็นสิ่งที่แยกแยะตัวนำยวดยิ่งออกจากตัวนำสมบูรณ์แบบ และทฤษฎีลอนดอนเชิงปรากฏการณ์วิทยา (phenomenological London theory) ซึ่งมีสองสมการที่ให้ความลึกของการแทรกซึมของลอนดอน (London penetration depth) และสภาพไดอะแมกเนติกสมบูรณ์แบบ (perfect diamagnetism) นอกจากนี้ยังกล่าวถึงการควอนไทซ์ของฟลักซ์ (flux quantization) และความสอดคล้องกันในระดับมหภาค (macroscopic coherence) ที่บ่งชี้โดยความแข็งแกร่งของฟังก์ชันคลื่นของตัวนำยวดยิ่ง ซึ่งเป็นรากฐานทางแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับทฤษฎี Ginzburg-Landau และ BCS

Core questions

• เหตุใดปรากฏการณ์ไมสเนอร์ ไม่ใช่เพียงแค่ความต้านทานเป็นศูนย์ จึงเป็นคุณสมบัติเด่นของสภาพนำยวดยิ่ง?
• สมการลอนดอนสร้างสภาพไดอะแมกเนติกสมบูรณ์แบบและความลึกของการแทรกซึมที่มีค่าจำกัดได้อย่างไร?
• ความลึกของการแทรกซึมบอกอะไรเราเกี่ยวกับสถานะของตัวนำยวดยิ่ง?
• การควอนไทซ์ของฟลักซ์เผยให้เห็นความสอดคล้องกันเชิงควอนตัมในระดับมหภาคของตัวนำยวดยิ่งได้อย่างไร?

Key concepts

• ปรากฏการณ์ไมสเนอร์-ออคเซนเฟลด์
• สมการลอนดอน
• ความลึกของการแทรกซึมของลอนดอน
• สภาพไดอะแมกเนติกสมบูรณ์แบบ
• การควอนไทซ์ของฟลักซ์

Key theories

ทฤษฎีลอนดอนของสภาพนำยวดยิ่ง

พี่น้องลอนดอนเสนอสมการเชิงปรากฏการณ์วิทยาที่เชื่อมโยงกระแสยวดยิ่งกับสนามแม่เหล็ก ซึ่งเมื่อรวมกับสมการของแมกซ์เวลล์ จะบังคับให้สนามแม่เหล็กลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียลเข้าไปในตัวนำยวดยิ่ง อธิบายปรากฏการณ์ไมสเนอร์และกำหนดความลึกของการแทรกซึม

Clinical relevance

การขับสนามแม่เหล็กและความลึกของการแทรกซึมเป็นพื้นฐานของการลอยตัวด้วยแม่เหล็ก การป้องกันสนามแม่เหล็กด้วยตัวนำยวดยิ่ง และพฤติกรรมการบังสนามที่ใช้ในแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่งและโพรงไมโครเวฟ นอกจากนี้ ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ยังเป็นสัญญาณเชิงทดลองที่ใช้ยืนยันสภาพนำยวดยิ่งในวัสดุใหม่ๆ

History

ไมสเนอร์และออคเซนเฟลด์ค้นพบการขับสนามแม่เหล็กออกอย่างกระตือรือร้นในปี 1933 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสภาพนำยวดยิ่งเป็นสถานะทางอุณหพลศาสตร์ที่แตกต่างกัน ฟริตซ์และไฮนซ์ ลอนดอนได้นำเสนอทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงปรากฏการณ์วิทยาในปี 1935 ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ไมสเนอร์และแนะนำแนวคิดความลึกของการแทรกซึม

Key figures

• Walther Meissner
• Fritz London
• Heinz London

Seminal works

• london1935
• tinkham2004

Frequently asked questions

ตัวนำยวดยิ่งแตกต่างจากตัวนำสมบูรณ์แบบอย่างไรเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก?

ตัวนำสมบูรณ์แบบเพียงแค่รักษาสนามแม่เหล็กที่มันมีอยู่เมื่อมันกลายเป็นตัวนำสมบูรณ์แบบ แต่ตัวนำยวดยิ่งที่ถูกทำให้เย็นลงในสนามแม่เหล็กจะขับสนามแม่เหล็กออกไปอย่างกระตือรือร้น การขับออกของไมสเนอร์นี้เป็นคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ที่ตัวนำสมบูรณ์แบบจะไม่มี

ความลึกของการแทรกซึมของลอนดอนคืออะไร?

มันคือระยะทางสั้นๆ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะอยู่ที่หลักสิบนาโนเมตร ที่สนามแม่เหล็กที่ถูกประยุกต์ใช้และกระแสยวดยิ่งที่บังหน้าจะลดลงเข้าไปในผิวของตัวนำยวดยิ่ง หลังจากนั้นภายในจะไม่มีสนามแม่เหล็กโดยพื้นฐาน