マイスナー効果

凝縮系物理学において、マイスナー効果（またはマイスナー・オクセンフェルト効果）とは、超伝導体が臨界温度以下に冷却されて超伝導状態に遷移する際に、超伝導体から磁場が排除される現象である。この排除によって、近くにある磁石は反発される。

ドイツの物理学者ヴァルター・マイスナーとロベルト・オクセンフェルト^{[ 1 ]}は、1933年に超伝導スズと鉛のサンプルの外部の磁場分布を測定することによってこの現象を発見しました^{[ 2 ]} 。サンプルは、印加された磁場の存在下で超伝導転移温度以下に冷却され、その結果、サンプルはほぼすべての内部磁場を打ち消しました。超伝導体では磁束が保存されるため、内部磁場が減少すると外部磁場が増加するため、彼らはこの効果を間接的にしか検出できませんでした。この実験は、超伝導体が単なる完全な導体以上のものであることを初めて実証し、超伝導状態の独自な定義特性を提供しました。排除効果の能力は、超伝導体の単位セル内の中和によって形成される平衡の性質によって決定されます。

マイスナー効果は、フリッツとハインツのロンドン兄弟によって現象論的に説明され、超伝導体中の電磁自由エネルギーが最小化される条件は

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {H} =\lambda ^{-2}\mathbf {H} \,}$

ここで、Hは磁場、λはロンドン侵入深さである。

ロンドン方程式として知られるこの方程式は、超伝導体内部の磁場が、表面における値から指数関数的に減衰することを予測する。この磁場の消失は、導体から超伝導体への相転移、例えば温度を臨界温度以下に下げることによって生じる超反磁性の現れである。

弱い印加磁場（超伝導相を崩壊させる臨界磁場よりも弱い磁場）では、超伝導体は表面付近に電流を発生させることで、ほぼすべての磁束を排除します。これは、磁場Hが表面からロンドン侵入深さの範囲内で磁化Mを誘起するためです。これらの表面電流は、超伝導体の内部を外部印加磁場から遮蔽します。磁場の排除、すなわち相殺は時間とともに変化しないため、この効果を生み出す電流（持続電流または遮蔽電流と呼ばれる）は時間とともに減衰しません。

地表付近、ロンドン浸透深さ内では、磁場は完全に打ち消されるわけではない。超伝導体にはそれぞれ固有の浸透深さがある。

完全導体は、抵抗がゼロの通常の電磁誘導によって表面を通過する磁束に変化が生じるのを阻止します。しかし、マイスナー効果はこれとは異なります。通常の導体を一定の磁場下で冷却して超伝導状態に遷移させると、遷移中に磁束が放出されます。この効果は無限の導電率では説明できず、ロンドン方程式によってのみ説明できます。既に超伝導状態にある物質の上に磁石を置いて浮上させてもマイスナー効果は示されませんが、最初は静止していた磁石を、超伝導体が臨界温度以下に冷却されるにつれて反発させると、マイスナー効果が示されます。

超伝導体内で磁場を排除するために発生する持続電流は、レンツの法則やファラデーの法則によるものだと誤解されがちです。しかし、電流を誘起するような磁束の変化は起こっていないため、これは誤りです。また、超伝導体は抵抗がゼロであるため、誘導起電力は発生しません。したがって、持続電流はファラデーの法則によるものではありません。

マイスナー状態の超伝導体は完全な反磁性、または超反磁性を示し、これは、内部深部（表面から何倍もの深さ）では全磁場がほぼゼロになることを意味します。これは、体積磁化率が$\displaystyle \chi _{v}}$= −1。反磁性体は、印加された磁場の方向と直接反対する物質の自発的な磁化の発生によって定義されます。しかし、超伝導体と通常の物質における反磁性の根本的な起源は大きく異なります。通常の物質では、反磁性は、印加された磁場の適用によって電磁的に誘起される原子核の周りの電子の軌道スピンの直接的な結果として生じます。超伝導体では、完全な反磁性の錯覚は、印加された磁場に反対して流れる持続的な遮蔽電流（マイスナー効果）から生じ、軌道スピンだけではありません。

マイスナー効果の発見は、 1935年にフリッツとハインツ・ロンドンによる超伝導の現象論的理論につながった。この理論は無抵抗輸送とマイスナー効果を説明し、超伝導に関する最初の理論的予測を可能にした。しかし、この理論は実験的観測を説明するだけであり、超伝導特性の微視的な起源を特定することはできなかった。これは1957年にBCS理論によって成功裏に達成され、そこから侵入深さとマイスナー効果が導き出された。^{[ 3 ]}しかし、一部の物理学者はBCS理論はマイスナー効果を説明していないと主張している。^{[ 4 ]}

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  液体ヘリウムを満たしたデュワー瓶の中に、錫製の円筒が電磁石の極の間に置かれている。磁場は約8ミリテスラ（80ガウス）である。
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  T = 4.2  K、B = 8  mT (80 G)。スズは常伝導状態にある。方位磁針は、磁束が円筒を貫通していることを示している。
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  円筒は4.2Kから 1.6Kまで冷却された 。電磁石の電流は一定に保たれていたが、錫は約3Kで超伝導状態になった。 磁束は円筒から排出された（マイスナー効果）。

マイスナー超伝導効果は、質量M (すなわち逆範囲、${\displaystyle \lambda _{M}:=h/(Mc)}$ここで、 hはプランク定数、cはゲージ場の光速である。実際、この類推はヒッグス機構のアーベル例であり、^{[ 5 ]}電弱W ^±の質量を生成する。高エネルギー物理学におけるZゲージ粒子。長さ$\displaystyle \lambda _{M}}$超伝導理論におけるロンドン侵入深さと同一である。^{[ 6 ] [ 7 ]}

• 磁束ピン止め
• シルスビー効果
• 超流動体

• アインシュタイン、A. (1922). 「金属の超伝導に関する理論的考察」. arXiv : physics/0510251 .
• ロンドン、FW（1961）。「超伝導の巨視的理論」。超流体。物質の構造シリーズ。第 1巻（改訂第2 版）。ドーバー。OCLC 439791906。 マイスナー効果を解明した人物による著作。34  ～37ページでは、超伝導球におけるマイスナー効果の技術的な解説が掲載されている。
• サスロー、WM（2002）。電気、磁気、光。アカデミック。ISBN 978-0-12-619455-5。486～489ページ では、超伝導面上に浮遊する長い磁石の場合における、マイスナー効果の原因となる表面電流について、簡単な数学的考察が述べられている。
• ティンカム、M. (2004).超伝導入門. ドーバー物理学シリーズ（第2 版）. ドーバー. ISBN 978-0-486-43503-9。優れた技術参考資料です。

• マイスナー効果 - ファインマン物理学講義
• マイスナー効果（科学入門）インペリアル・カレッジ・ロンドンによる、マイスナー効果と未来の浮上式列車についての短いビデオ。
• 超伝導入門タイプ1超伝導体に関するビデオ：R = 0/転移温度/ Bは状態変数/マイスナー効果/エネルギーギャップ（ジャイエバー）/BCSモデル。
• マイスナー効果（ハイパーフィジックス）
• マイスナー効果の歴史的背景