迈斯纳效应

迈斯纳效应是超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象，于1933年时被瓦尔特·迈斯纳与罗伯特·奥克森菲尔德（英语：Robert Ochsenfeld）在量度超导锡及铅样品外的磁场时发现。在有磁场的情况下，样品被冷却至它们的超导相变温度以下。在相变温度以下时，样品几乎抵消掉所有里面的磁场。他们只是间接地探测到这个效应；因为超导体的磁通量守恒，当里面的场减少时，外面的场就会增加。这实验最早证明超导体不只是完美的导电体，并为超导态提供一个独特的定义性质。在弱场下，超导体几乎“排斥”掉所有的磁通量，磁力线无法穿透超导体。它通过在其表面建立起电流来达到这点。这些表面电流的磁场与外加的磁场在超导体内互相抵消。由于磁场排斥（或抵消）并不随时间而改变，所以导致这效应的电流（又称持久电流）并不会因时间而减弱。因此电导率可被视为无限：即超导体。在接近表面的一定距离内，磁场并不会被完全抵消，这个距离被称为伦敦穿透深度。每一种超导体都有其特有的穿透深度。任何完美的零电阻导电体都会因为在零电阻下简单的电磁感应现象，阻止通过其表面的磁通量改变。超导体的迈斯纳效应跟以下现象区别：普通导体在恒定磁场的作用下，通过降低温度从正常状态转变为超导状态时，磁通量在此过程中被排斥。迈斯纳效应不能像这个现象一样简单地被无限电导率解释。磁体被已经达到超导态的导体作用而悬浮的现象不是迈斯纳效应，原来不受力的磁体在被冷却达到其临界转变温度时受到超导体的排斥才是迈斯纳效应。处于迈斯纳态的超导体会表现出完美抗磁性，或超抗磁性，意思是超导体深处（离表面好几个穿透深度的地方）的总磁场非常接近零。亦即是它们的磁化率 χ v {displaystyle chi _{v}} = −1。抗磁性体的定义为能产生自发磁化的物料，且磁化方向与外加场直接相反。然而，超导体中抗磁性的基本来源与一般材料的非常不同。在一般材料中，抗磁性是原子核旁电子的轨道自旋，与外加磁场间电磁感应的直接结果。在超导体中，完美抗磁性的假象是由持久的屏蔽电流所引起的，电流的流动方向与外加场相反（迈斯纳效应）；抗磁性并非只由轨道自旋所引起。迈斯纳效应的发现使得弗里茨·伦敦（英语：Fritz London）与海因茨·伦敦于1935年得出超导的现象理论。这套理论解释了无电阻运输与迈斯纳效应，并提供了早期的超导预测。然而，这套理论只解释到实验观测结果——使用它并不能够找出超导现象的微观来源。不过，所有的微观理论都需要能够重现这种效应。1957年的BCS理论就成功办到这一点。但是，现时迈斯纳效应的理论，包括现象的伦敦理论、微观的BCS理论以及经典电动力学，明显离完整还有相当距离。问题在于描述电动势的法拉第电磁感应定律，在迈斯纳效应的静止条件下等于零，而现时的理论并没有提出其他电力来加速电子，直至电子达至伦敦方程所描述的超电流稳定态。很明显地，这样的加速对宏观的观测者而言不可能是瞬时的，因为会破坏因果原理。这个问题在有暂态超电流的系统内进行过分析这个模型是基于把库珀对当成零自旋的玻色子处理，结果在渐近时与伦敦方程一致。但是，解决问题还需要对麦克斯韦－劳伦兹电动力学作出一些有疑义的延伸。一锡制的圆柱体——在一注满液态氦的杜瓦瓶中——被置于一电磁铁的两极之间。磁场约为8 mT（80 G）。T=4.2 K，B=8 mT（80 G）。锡处于普通的电导态。指南针们显示磁通量穿过圆柱体。圆柱体从4.2 K被冷却至1.6 K。电磁铁的电流保持不变，但锡在大约3 K就成了超导体。磁通量受到圆柱体的排斥（迈斯纳效应）。超导体的迈斯纳效应可用作规范场的质量M（即倒数范围， λ M := h / ( M c ) {displaystyle lambda _{M}:=h/(Mc)} ，其中h为普朗克常数，c为光速）生成机制的重要范例。实际上，这个类似是希格斯机制的一个可交换例子。在高能物理中，电弱规范粒子W±及Z的质量，正是通过希格斯机制所生成的。长度 λ M {displaystyle lambda _{M}} 跟超导理论的“伦敦穿透深度”是一样的。在发现高温超导之前，观测迈斯纳效应是一件很难的事，这是因为量度需要在低温且外加磁场较小的条件下（即右图中青色区域）进行。但钇钡铜氧等高温超导体在液态氮温区就能展示出此效应，对永久磁铁产生排斥。