Mengapakah Superkonduktor Menolak Medan Magnet?

Sejukkan bahan superkonduktor di bawah suhu gentingnya dan sifat elektriknya berubah secara mendadak. Rintangan elektrik boleh jatuh kepada sifar, tetapi itu bukan keseluruhan cerita. Dalam medan yang sesuai, bahan yang memasuki keadaan superkonduktor juga menyingkirkan fluks magnet daripada sebahagian besar isi padunya. Sifat magnet inilah, iaitu kesan Meissner, yang membantu membezakan superkonduktor daripada gambaran mudah tentang sebuah pengalir sempurna.

Dua tanda penting superkonduktiviti

Bagi banyak bahan, menurunkan suhu mengurangkan rintangan elektrik tetapi tidak menghapuskannya. Bahan superkonduktor berkelakuan berbeza. Apabila keadaan yang diperlukan dipenuhi dan suhu turun di bawah suhu genting, bahan beralih kepada keadaan superkonduktor. Dua sifat asas perlu dibezakan di sini.

Pertama, rintangan elektrik arus terus menjadi sifar, dan arus yang sudah terbentuk boleh berterusan tanpa kehilangan tenaga akibat rintangan elektrik biasa. Kedua, superkonduktor menunjukkan tindak balas magnet yang khas. Apabila bahan memasuki keadaan superkonduktor dalam medan magnet yang cukup lemah, medan magnet disingkirkan daripada sebahagian besar isi padu bahan, dan inilah kesan Meissner. CERN menyenaraikan rintangan sifar dan penyingkiran medan magnet sebagai dua sifat asas keadaan superkonduktor.

Mengapa rintangan sifar sahaja tidak mencukupi?

Bayangkan sebuah pengalir hipotetikal yang mempunyai rintangan tepat sifar tetapi bukan superkonduktor. Jika fluks magnet sudah berada di dalamnya sebelum rintangannya menjadi sifar, hukum Faraday menunjukkan bahawa keadaan rintangan sifar sahaja tidak memerlukan fluks sedia ada itu keluar. Sebaliknya, fluks boleh kekal tidak berubah.

Namun eksperimen pada superkonduktor menunjukkan sesuatu yang lebih khusus. Apabila bahan melalui peralihan superkonduktor dalam keadaan yang sesuai, medan magnet disingkirkan daripada bahagian dalamnya. OpenStax menekankan bahawa kesan Meissner bukan akibat automatik daripada rintangan sifar. Perbezaan ini penting kerana superkonduktiviti ialah keadaan termodinamik dan kuantum bahan, bukan sekadar versi ekstrem sebatang wayar yang mempunyai rintangan sangat kecil.

Adakah medan magnet benar-benar sifar hingga ke permukaan?

Gambaran bahawa medan langsung tidak masuk ialah pemudahan. Medan magnet tidak terputus secara mendadak tepat di permukaan. Dalam keadaan Meissner, medan menembusi suatu jarak kecil ke dalam bahan sebelum amplitudnya menyusut dengan cepat, dan skala jarak ini dikenali sebagai kedalaman penembusan. Arus penyaringan terbentuk berhampiran permukaan dan menghasilkan medan yang mengimbangi medan luaran, lalu menyebabkan medan magnet dalam bahagian pukal superkonduktor menjadi sangat kecil. Oleh itu, rajah sekolah yang menunjukkan semua garis medan membelok di luar bahan berguna untuk memahami kesan keseluruhan, tetapi bukan gambaran mikroskopik yang tepat pada sempadan.

Tidak semua superkonduktor bertindak sama dalam medan kuat

Pernyataan bahawa superkonduktor sentiasa menolak semua medan magnet adalah salah. Bagi superkonduktor jenis I, keadaan Meissner berlaku sehingga medan mencapai medan genting. Jika medan yang dikenakan menjadi terlalu kuat, keadaan superkonduktor musnah dan bahan kembali kepada keadaan normal.

Superkonduktor jenis II lebih rumit. Antara dua medan genting, fluks magnet boleh menembusi bahan secara setempat dalam bentuk vorteks terkuantum sementara kawasan lain kekal superkonduktor. Keadaan ini membolehkan bahan jenis II terus berfungsi sebagai superkonduktor pada medan yang jauh lebih tinggi, dan CERN menerangkan keadaan campuran ini sebagai sebab superkonduktor jenis II amat berguna untuk menghasilkan magnet medan tinggi. Kesan Meissner yang tulen ialah titik permulaan untuk memahami magnetisme superkonduktor, bukan keseluruhan ceritanya.

Apakah kaitannya dengan pasangan Cooper?

Bagi banyak superkonduktor konvensional, teori BCS menerangkan bagaimana interaksi elektron dengan getaran kekisi boleh menghasilkan pasangan elektron yang dinamakan pasangan Cooper. Pasangan ini mengambil bahagian dalam keadaan kuantum kolektif yang memungkinkan superkonduktiviti. Namun kita perlu berhati-hati dengan analogi bahawa elektron berpasangan lalu tidak berlanggar. Teori sebenar melibatkan keadaan kuantum banyak zarah dan jurang tenaga, bukan dua elektron yang sekadar bergerak bersebelahan seperti dua orang berjalan bersama.

Lebih penting lagi, teori BCS konvensional tidak menerangkan dengan lengkap semua keluarga superkonduktor. CERN menyatakan bahawa mekanisme gandingan bagi superkonduktor suhu tinggi tertentu memerlukan fizik di luar gambaran BCS konvensional yang mudah.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?