マイスナー効果

マイスナー効果とは

マイスナー効果は、超伝導体が示す特異な性質で、外部磁場を内部から遮蔽し、内部の磁場密度をゼロにする現象です。この効果は、超伝導体が持つ完全導電性と密接に関連しています。

発見の歴史

この現象は1933年に、ヴァルター・マイスナーの助手だったローベルト・オクセンフェルトによって発見されました。彼らの名を取って、この効果は「マイスナー–オクセンフェルト効果」と呼ばれることもあります。

現象のメカニズム

超伝導体が冷却されて超伝導状態に入ると、外部からの磁場が内部に侵入してこないという特性があります。具体的には、外部磁場がない状態で超伝導体を冷やし、その後に外部磁場を加えると、超伝導体は自ら電流を誘導し、外部磁場を打ち消すように働きます。これは、超伝導体が抵抗を持たないため、電磁誘導の法則に基づいています。

数式的には、超伝導体内では次のような関係が成り立ちます。

$$
\frac{\partial \mathbf{B}(t, \mathbf{x})}{\partial t} = 0
$$

これにより、超伝導体内の磁場は初期状態を保持することが期待されます。しかし、外部磁場を加えてから超伝導体を冷却すると、実際にはその磁場が外部に押し出されるのです。この急激な変化は、電磁誘導の法則だけでは説明がつきません。したがって、マイスナー効果は超伝導体の特有の現象とみなされています。

数式で言い換えると、超伝導状態が確立された後は、次のようになります。

$$
\mathbf{B}(t,\mathbf{x}) = 0
$$

磁場の反発と浮遊現象

マイスナー効果によって生じる磁場の反発力は、特に第二種超伝導体の場合に顕著です。このとき、ピン止め効果と呼ばれる現象が加わり、磁石が超伝導体の上で固定される様子が観察されることもあります。しかし、一般に「超伝導体が磁石を浮かせる」という表現は不適切です。これはあくまで、超伝導体が外部磁場を排除することで生じる現象だからです。

第一種超伝導体では、特定の臨界磁場以下でこの効果が現れ、第二種超伝導体では、下部臨界磁場を下回る状態でのみ観察されます。この現象は、超伝導の2大特性の一つとされ、電気抵抗がゼロであるだけではなく、マイスナー効果が確認されないと超伝導体として認定されません。

高温超伝導体に関しても興味深い事例があります。例えば、銅酸化物系の超伝導体は、初期には超伝導体と認められなかったものの、後にマイスナー効果が確認され、超伝導体として認知されました。これは、この効果が超伝導体としての重要な指標であることを示しています。

終わりに

1935年に発表されたロンドン方程式により、マイスナー効果にはより深い現象論的解釈が与えられています。超伝導の第一の特徴である完全導電性と共に、このマイスナー効果が確認されない場合、その物質は超伝導体とは見なされません。超伝導体の持つこの独自の特性は、物性物理学や低温物理学において非常に重要な意味を持ち、研究が進められています。

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