2. Магнитные эффекты в сверхпроводниках.
Нетепловые внешние воздействия также могут разрушать сверхпроводящее состояние. Из них наиболее интересны влияния магнитных полей.
Попытка включить внешнее магнитное поле приводит к появлению в образце ЭДС индукции. Из-за этого, в силу закона Ленца, в сверхпроводнике возникает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. То есть индукционный ток направлен так, чтобы созданное им магнитное поле было направлено против внешнего поля. При этом в сверхпроводнике даже малое индукционное электрическое поле создает ток, достаточный (из-за сверхпроводимости) для полной компенсации и вытеснения внешнего магнитного поля из сверхпроводника. Сверхпроводник оказывается идеальным диамагнетиком.
Если взять нормальный металл в магнитном поле, а потом перевести его в сверхпроводящее состояние, то магнитное поле будет вытеснено из объема сверхпроводника. Впервые это эффект экспериментально обнаружил Мейснер. Внешнее магнитное поле проникает в сверхпроводник, но только на глубину скин-слоя. Это приповерхностный слой толщиной порядка 10-6 см.
Наличие внешнего магнитного поля снижает критическую температуру . Более того, если магнитное поле становится достаточно сильным, то индукционное электрическое поле может разорвать связь куперовских пар и разрушить сверхпроводимость. Таким образом, при каждой температуре, меньшей , существует критическое значение внешнего магнитного поля, разрушающего сверхпроводимость.
Сказанное относится к односвязным сверхпроводникам. Многосвязные сверхпроводники (образцы, имеющие отверстия, например, образцы типа бублика) ведут себя в магнитных полях несколько иначе.
Представим себе, что имеется образец из сверхпроводящего материала в виде цилиндра. Если поместить этот образец при T > Tc в магнитное поле, направленное по оси цилиндра, то весь он будет пронизан магнитными силовыми линиями. Охлаждая образец в присутствии магнитного поля, его можно перевести в сверхпроводящее состояние, и тогда «включится» эффект Мейснера. В результате поле будет вытеснено из объема сверхпроводника. Но силовые линии, проходившие в вакууме внутри цилиндра, не подвергнутся компенсации сверхпроводящим током и останутся. Это так называемое замороженное или вмороженное магнитное поле. Если перемещать сверхпроводящий цилиндр, то он будет «таскать» силовые линии за собой. Поворот цилиндра приведет к изгибу силовых линий магнитного поля.
Однако наиболее
интересна другая особенность замороженного
магнитного поля. Можно показать (для
этого требуется довольно длинная и
сложная работа математика), что захваченный
магнитный поток
всегда кратен величине
, где
– заряд электрона:
,
(4.2.1)
– целое число.
Равенство (1) означает, что магнитный поток квантуется, то есть может изменяться только дискретным образом и на величину, кратную некоторой минимальной величине (ее иногда называют «флюксон»).
Напомним, что магнитный поток равен интегралу
(4.2.2)
или, в случае однородного магнитного поля и плоской поверхности, перпендикулярной полю,
.
(4.2.3)
Поскольку площадь постоянна, а поток квантуется, то магнитная индукция также квантована.
Квантование магнитного потока было подтверждено опытами Дивера и Фейрбэнка. Это чисто квантовое явление, но имеющее макроскопические масштабы. В частности, размер отверстия в сверхпроводящем цилиндре, через которое проходит магнитный поток замороженного поля, имеет величину порядка 1 см2.
Квантование магнитного потока позволило создать очень точные магнитометры, измеряющие напряженности магнитного поля с точностями порядка 10-9 Гс, а также очень чувствительные детекторы электромагнитных волн в диапазоне от СВЧ до дальнего ИК. В основе работы этих устройств лежат два эффекта Джозефсона.