L'effet Meissner et son utilisation

L'effet Meissner ou effet Meissner-Oxenfeld consiste en le déplacement d'un champ magnétique de la masse du supraconducteur lors de son passage à l'état supraconducteur. Ce phénomène a été découvert en 1933 par les physiciens allemands Walter Meissner et Robert Oxenfeld, qui ont mesuré la distribution du champ magnétique à l'extérieur d'échantillons supraconducteurs d'étain et de plomb.

Walter Meissner

Dans l'expérience, les supraconducteurs, en présence d'un champ magnétique appliqué, ont été refroidis en dessous de leur température de transition supraconductrice jusqu'à ce que presque tout le champ magnétique interne des échantillons soit réinitialisé. L'effet n'a été détecté par les scientifiques qu'indirectement, car le flux magnétique du supraconducteur est préservé : lorsque le champ magnétique à l'intérieur de l'échantillon diminue, le champ magnétique externe augmente.

Ainsi, l'expérience a clairement montré pour la première fois que les supraconducteurs ne sont pas seulement des conducteurs idéaux, mais démontrent également une propriété unique définissant l'état supraconducteur.La capacité à déplacer le champ magnétique est déterminée par la nature de l'équilibre formé par la neutralisation à l'intérieur de la cellule unitaire du supraconducteur.

Un supraconducteur avec peu ou pas de champ magnétique est dit dans l'état de Meissner. Mais l'état de Meissner s'effondre lorsque le champ magnétique appliqué est trop fort.

Il convient de noter ici que les supraconducteurs peuvent être divisés en deux classes en fonction de la manière dont cette violation se produit.Dans les supraconducteurs du premier type, la supraconductivité est brusquement violée lorsque l'intensité du champ magnétique appliqué devient supérieure à la valeur critique Hc.

Selon la géométrie de l'échantillon, un état intermédiaire peut être obtenu, similaire au motif exquis de régions de matériau normal portant un champ magnétique mélangé avec des régions de matériau supraconducteur où il n'y a pas de champ magnétique.

Dans les supraconducteurs de type II, l'augmentation de l'intensité du champ magnétique appliqué à la première valeur critique Hc1 conduit à un état mixte (également appelé état vortex), dans lequel de plus en plus de flux magnétique pénètre dans le matériau, mais il n'y a pas de résistance au courant électrique à moins que ce courant ne soit pas trop élevé.

A la valeur de la seconde force critique Hc2 l'état supraconducteur est détruit. L'état mixte est causé par des vortex dans un fluide électronique superfluide, qui sont parfois appelés fluxons (fluxon-quantum de flux magnétique) car le flux transporté par ces vortex est quantifié.

Les supraconducteurs élémentaires les plus purs, à l'exception du niobium et des nanotubes de carbone, sont du premier type, tandis que la quasi-totalité des impuretés et des supraconducteurs complexes sont du second type.

Phénoménologiquement, l'effet Meissner a été expliqué par les frères Fritz et Heinz London, qui ont montré que l'énergie électromagnétique libre d'un supraconducteur est minimisée sous la condition :

Cette condition s'appelle l'équation de Londres. Il a prédit que le champ magnétique dans un supraconducteur décroît de façon exponentielle quelle que soit sa valeur à la surface.

Si un champ magnétique faible est appliqué, alors le supraconducteur déplace la quasi-totalité du flux magnétique. Ceci est dû à l'apparition de courants électriques près de sa surface.Le champ magnétique des courants de surface neutralise le champ magnétique appliqué à l'intérieur du volume du supraconducteur. Étant donné que le déplacement ou la suppression du champ ne change pas dans le temps, cela signifie que les courants créant cet effet (courants continus) ne diminuent pas dans le temps.

Près de la surface de l'échantillon, dans la profondeur de Londres, le champ magnétique n'est pas complètement absent. Chaque matériau supraconducteur a sa propre profondeur de pénétration magnétique.

Tout conducteur parfait empêchera tout changement de flux magnétique traversant sa surface en raison de l'induction électromagnétique normale à résistance nulle. Mais l'effet Meissner est différent de ce phénomène.

Lorsqu'un conducteur conventionnel est refroidi jusqu'à un état supraconducteur en présence d'un champ magnétique appliqué en permanence, le flux magnétique est émis pendant cette transition. Cet effet ne peut pas être expliqué par une conductivité infinie.

Le placement et la lévitation ultérieure d'un aimant sur un matériau déjà supraconducteur ne présentent pas l'effet Meissner, alors que l'effet Meissner est présenté si l'aimant initialement stationnaire est ensuite repoussé par le supraconducteur refroidi à une température critique.

Dans l'état de Meissner, les supraconducteurs présentent un diamagnétisme parfait ou un superdiamagnétisme. Cela signifie que le champ magnétique total est très proche de zéro au plus profond d'eux, à une grande distance de la surface. Susceptibilité magnétique -1.

Le diamagnétisme est défini par la génération de l'aimantation spontanée d'un matériau qui est exactement opposée à la direction d'un champ magnétique appliqué de l'extérieur.Mais l'origine fondamentale du diamagnétisme dans les supraconducteurs et les matériaux normaux est très différente.

Dans les matériaux ordinaires, le diamagnétisme résulte directement de la rotation orbitale induite électromagnétiquement des électrons autour des noyaux atomiques lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué. Dans les supraconducteurs, l'illusion d'un diamagnétisme parfait survient à cause des courants de protection constants qui circulent contre le champ appliqué (l'effet Meissner lui-même), et pas seulement à cause du spin orbital.

La découverte de l'effet Meissner a conduit en 1935 à la théorie phénoménologique de la supraconductivité de Fritz et Heinz London. Cette théorie explique la disparition de la résistance et l'effet Meissner. Cela nous a permis de faire les premières prédictions théoriques sur la supraconductivité.

Cependant, cette théorie n'explique que les observations expérimentales, mais ne permet pas d'identifier l'origine macroscopique des propriétés supraconductrices.Cela a été fait avec succès plus tard, en 1957, par la théorie de Bardeen-Cooper-Schriefer, dont découlent à la fois la profondeur de pénétration et l'effet Meissner. Cependant, certains physiciens soutiennent que la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer n'explique pas l'effet Meissner.

L'effet Meissner est appliqué selon le principe suivant. Lorsque la température d'un matériau supraconducteur passe par une valeur critique, le champ magnétique qui l'entoure change brusquement, entraînant la génération d'une impulsion EMF dans la bobine enroulée autour de ce matériau. Et lorsque le courant de la bobine de commande change, l'état magnétique du matériau peut être contrôlé. Ce phénomène est utilisé pour mesurer les champs magnétiques ultra-faibles à l'aide de capteurs spéciaux.

Un cryotron est un dispositif de commutation basé sur l'effet Meissner. Structurellement, il se compose de deux supraconducteurs. Une bobine de niobium est enroulée autour d'une tige de tantale parcourue par un courant de commande.

Lorsque le courant de commande augmente, la force du champ magnétique augmente et le tantale passe de l'état supraconducteur à l'état ordinaire.Dans ce cas, la conductivité du fil de tantale et le courant de fonctionnement dans le circuit de commande changent de manière non linéaire. manière. Sur la base de cryotrons, par exemple, des vannes contrôlées sont créées.