マイスナー効果

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マイスナー効果（マイスナーこうか, Meissner effect）は、超伝導体が持つ性質のひとつで、超伝導体内部への外部磁場の侵入を完全に妨げる。完全反磁性とも呼ばれる。1933年にマイスナーとオクセンフェルトによって発見された。第一種超伝導体の場合は臨界磁場 H_c よりも小さな磁場がかかっているとき、第二種超伝導体の場合は下部臨界磁場 H_c1 よりも小さな磁場がかかっているときに発生する。

外部磁場がない状態で物質を冷却して超伝導状態にして、それから外部磁場をかけると、磁場は超伝導体の内部に侵入しない。これはマイスナー効果というものを考えなくても、電磁誘導の法則だけで説明できる。すなわち、超伝導体は電気抵抗がゼロであるから、外部磁場をかけた瞬間に誘導電流が発生して、その誘導電流がつくる磁場が外部磁場を打ち消すというものである。しかし、先に外部磁場をかけて物質内部に磁場がある状態にしてから、物質を冷却して超伝導状態にすると、超伝導状態になったとたんに磁場が物質外部に押し出される。この現象は電磁誘導の法則では説明できない。したがってマイスナー効果は、ゼロ抵抗とは別の、超伝導体に固有の性質の一つである。

[編集] 第一種超伝導体と第二種超伝導体

外部磁場の大きさがあまり強くなければ、マイスナー効果により磁場を排除するが、ある程度以上磁場が大きくなると、超伝導状態そのものが突然、消滅してしまう。このような磁場に対する振舞いをする超伝導体を「第一種超伝導体」と呼ぶ。

また、ある種の超伝導体では磁場の強さをあげていくと、超伝導体の一部分だけが超伝導でなくなり、超伝導状態と常伝導状態が共存した状態になる。ここに大きな外部磁場をかけても、常伝導状態の部分にいわば磁束の逃げ道が出来ているため、超伝導状態を維持することができる。このような超伝導体を「第二種超伝導体」と呼ぶ。第二種超伝導体は第一種超伝導体に比べ、数十倍～数百倍の磁場を加えても超伝導状態を維持できるため、超伝導磁石のコイル等の実用化には第二種超伝導体が必須である。

多くの金属は第一種超伝導体であるが、ニオブ (Nb)、バナジウム (V) は第二種超伝導体である。また、酸化物高温超伝導体も第二種超伝導体である。

第一種超伝導体

第二種超伝導体

第二種超伝導体で超伝導状態部分に囲まれた常伝導状態部分を通る磁束はh/2πeの整数倍（hはプランク定数、eは素電荷）の値しかとることができない。これは超伝導状態部分でクーパー対を形成している電子の位相の周期的境界条件によるもので「磁束の量子化」と呼ばれる。

[編集] ピン止め効果

「量子化磁束」が内部に侵入している第二種超伝導体に電流を流す場合を考える。このとき、電流によるローレンツ力のため、量子化磁束が電流に対して垂直方向に力を受ける。この力を受けて量子化磁束が超伝導体内部を移動すると、誘導起電力が発生し、超伝導体であるにも関わらず電気抵抗が発生してしまう。

このような状況を防ぐため、超伝導体に重粒子線を照射したり、不純物を導入したりすることで、わざと欠陥をつくり、この欠陥に量子化磁束をトラップすることにより、誘導起電力による電気抵抗の発生を防ぐことができる。これを「ピン止め効果」と呼ぶ。

磁石の上で超伝導体の浮上する実験において、しばしばその原理がマイスナー効果による反発力であると誤解されるが、正しくは第二種超伝導体における磁束の侵入およびピン止め効果による支持力である。外力によって第二種超伝導体を磁石に近づけると、磁石の磁束は超伝導体内部に押し込まれ、侵入した磁束はピン止め力によって一定位置に拘束される。その後再び大きな外力の加えられるまでは、超伝導体に拘束された磁束によって、磁石と超伝導体の間の距離が一定範囲に保たれる。磁束を完全に排除する第一種超伝導体ではこの実験を再現できない。