超伝導体の上部に磁石が浮遊し続ける現象：マイスナー効果とピン止め効果

マイスナー効果は、超伝導体が持つ性質の1つであり、遮蔽電流（永久電流）の磁場が外部磁場に重なり合って超伝導体内部の正味の磁束密度をゼロにする現象である。マイスナー―オクセンフェルト効果 、あるいは完全反磁性とも呼ばれる。


マイスナー効果の概略図。臨界温度以下になると超伝導体に磁場（矢印）が侵入しなくなる。


ピン止め効果とマイスナー効果による磁気浮上

1933年にヴァルター・マイスナーの助手をしていたローベルト・オクセンフェルトによって発見され、マイスナーとオクセンフェルトの名前で発表された。

このマイスナー効果による磁力の反発力に加え、第二種超伝導体において起こるピン止め効果によって初めて、冒頭の図に示されている様な「超伝導体の上部に固定される磁石」が観察されることになる。

ピン止め効果とは、磁束が第二種超伝導体の内部にあるひずみや不純物などの常伝導部分に捕らえられ、ピンで止めたように動かなくなる現象。
磁束を完全に排除する第一種超伝導体にはみられない現象である。


ピン止め効果:磁束線の概略図

臨界磁場とは、超伝導状態を破壊してしまう磁場の値のこと。外部からの磁場が臨界磁場より強くなければ、超伝導体はマイスナー効果により磁場を排除するが、磁場が臨界磁場を超えると超伝導状態ではなくなってしまう。磁場の反応の違いから超伝導体には第一種超伝導体と第二種超伝導体の二種類がある。

第一種超伝導体とは磁場をかけるとマイスナー効果により磁場を排除するが、臨界磁場を越えると超伝導状態が突然、消滅してしまう超伝導体のことである。


図では超伝導状態と常伝導状態の境目の磁場が臨界磁場である。
 
第二種超伝導体とは、主に化合物からできている超伝導体で、磁場の強さをあげていくと、内部のひずみや不純物などの常伝導体に磁場が侵入するが、電気抵抗ゼロのまま超伝導と常伝導が共存した状態になることができる超伝導体である。
 
大きな磁場をかけても、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。さらに磁場を強くしていくと超伝導状態は完全に壊れる。ピン止め効果が起きるのも第二種超伝導体の特徴である。


図では超伝導状態と超伝導と常伝導の共存状態との境目の磁場が臨界磁場Hc1、超伝導と常伝導が共存状態から常伝導状態との境目の磁場が臨界磁場Hc2である。