Niko Johansson ja Ville Paasonen Suprajohtavuus Niko Johansson ja Ville Paasonen

Mikä Suprajohtavuus? Suprajohtavuudella tarkoitetaan kvanttimekaanista ilmiötä, jossa aine menettää resistiivisyytensä, ts. sen konduktiivisyys kasvaa äärettömän suureksi Tämä tapahtuu kriittisessä lämpötilassa, Tc Yleisemmät ja vanhimmat , ns. matalan lämpötilan suprajohteet vaativat hyvin alhaisen lämpötilan tullakseen suprajohteiksi (Tc<30K)

Historiaa Alankomaalainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes löysi ensimmäisenä suprajohtavuuden tutkiessaan elohopean ominaisuuksia hyvin alhaisissa lämpötiloissa vuonna 1911 Walther Meissner ja Robert Ochsenfeld kuvasivat meissnerin ilmiön 1933 1935 Londonin veljekset kirjoittivat londonin yhtälöt, jotka pystyvät selittämään mm. meissnerin ilmiön Hiukkastasolla suprajohtavuutta selittävä BCS-teoria esitettiin 1957 Ensimmäinen korkean lämpötilan suprajohde löydettiin 1986

Supranesteet Nesteitä joilla ei ole sisäistä kitkaa eli viskositeettiä eikä näin esim. pintajännitystä Esim. nestemäinen helium voi esiintyä supranesteenä ( 4He, tyyppi II) Kyseessä on kvanttifysiikan ilmiö: hiukkasten tulee olla Bosen hiukkasia eli niiden spinin täytyy olla kokonaisluku , helium 4:llä 0 Myös 3He:lla esiintyy suprajohtavuutta, mutta se vaatii hiukkasten parinmuodostusta, ja näin ollen huomattavasti alhaisempia lämpötiloja Supraneste koostuu aina sekä kitkansa menettäneistä, että “normaaleista” hiukkasista, lämpötilaa laskettaessa kitkattomien hiukkasten määrä lisääntyy

supranesteistä Suprajohteisiin – elektronimeri Metallisidokseen osallistuvien elektronien voidaan ajatella muodostavan “nesteen” metallin sisälle Pelkistettynä suprajohtavuus tarkoittaa sitä, että osa metallin vapaista elektroneista – eletronimerestä – muuttuu supranesteeksi Koska elektronit ovat Fermin hiukkasia, (spin 1/2) ne eivät voi yksinään muodostaa supranestettä vaan niiden tulee pariutua Muodostuu ns. Cooperin pareja; tämä tapahtuu alhaisissa läpötiloissa kahden elektronin ja fononin eli metallihilan värähtelykvantin vuorovaikuttaessa

Meissnerin ilmiö Suprajohteissa (tyyppi I) esiintyvä ilmiö, jossa magneettikenttä ei kulje suprajohteen sisällä Kaikki täydellisesti diamagneettiset kappaleet (suprajohteet) estävät magneettivuon pääsyn niiden sisään induktiolain nojalla; kappaleen pintaan muodostuvat voimakkaat ja vaimenemattomat sähkövirrat luovat ulkoiselle kentälle vastakkaisen magneettikentän – nämä kumoavat toisensa

Meissnerin ilmiöllä kuitenkin tarkoitetaan kappaleessa jo olevan magneettivuon karkottamista sen siirtyessä suprajohtavaan tilaan Seurauksena suprajohteet hylkivät magneetteja, vaikka niiden läpi ennen suprajohtavaan tilaan siirtymistä kulkisikin magneettivuo Meissnerin ilmiötä ei voida selittää yksin suprajohtavuuden ja induktiolain perusteella; suprajohteita kuvaavat Londonin yhtälöt kuitenkin ennustavat sen olemassaolon

Tyypin II suprajohteet Tyypistä I poiketen päästävät magneettikentää lävitseen menettämättä suprajohtavuuttaan; tämä tapahtuu, kun magneettikentän voimakkuus saavuttaa kriittisen arvon Hc1 Säilyttävät suprajohtavuutensa voimakkaissakin magneettikentissä Soveltuvat tyyppiä I paremmin käytettäviksi esim. sähkömagneeteissa Magneettikenttä läpäisee suprajohteen eräänlaisina yhden vuokvantin suuruisina pyörrevirtoina, jotka yleensä syntyvät hilan epätäydellisyyksien ympärille (quantum/flux pinning)

Kvanttilevitaatio Mahdollinen vain tyypin II suprajohteilla Ilmiössä pieni osa magneetin magneettivuosta läpäisee suprajohteen, ja näin ikään kuin “kiinnittää” sen itseensä (Tc1) Riittävän alhaisissa lämpötiloissa suprajohteen läpäisevät vuokvantit voivat kannattaa jopa tuhansia kertoja sen painon Tällöin suprajohteeseen tai magneettiin kohdistuva pieni häiriö aiheuttaa tasapainoasemaan suuntautuvan voiman Riittävän suurella voimalla voidaan kuitenkin tasapainoasemaa muuttaa; tämä perustuu kappaleen läpäisevien vuokvanttien uudelleenjärjestäytymiseen

Matalan läpötilan suprajohteita (LTS) Suprajohtavat alkuaineet ja monet niiden muodostamat yhdisteet ja seokset Alkuaineet useimmiten tyyppiä I, yhdisteet yleensä tyyppiä II

suprajohtavat alkuaineet

Korkean läpötilan suprajohteita Usein keraamisia ja kiderakenteeltaan tertagonisia yhdisteitä, suprajohtavuus tyyppiä II

Sovelluksia Jännitehäviöttömät johtimet Energiatehokas sähkönsiirto? voimakkaat sähkömagneetit (tyyppi II) CERN, NMR/MRI, fuusiovoimalat Suprajohteiden välisten kytkentöjen heikon suprajohtavuuden hyödyntäminen (Josephsonin kytkennät) magneettikenttien tarkat mittaukset (SQUID, superconducting quantum interference deivice) Suuritaajuisen (>100 GHz) vaihtovirran tuotto

Suprajohteiden heikkouksia Useimmat korkean lämpötilan suprajohteet toistaiseksi huomattavan kalliita; materiaalit ja alhaiset läpötilat Kaikki nykyisin tunnetut suprajohteet voivat johtaa sähköä ilman vastusta vain tiettyyn rajaan saakka – kun virran indusoiman magneettikentän voimakkuus saavuttaa kriittisen arvon (Hc tyypillä I, Hc2 tyypillä II), kappale menettää suprajohtavuutensa osittain tai kokonaan

Tulevaisuus Topologiset eristeet eristeitä sisältä, suprajohteita päältä erottelevat yksittäisiä elektronivirtoja spinin mukaan sovelluksia uusien hiukkasten löytämisessä ja näin mahd. supertietokoneissa Suprajohteita huoneenlämmössä? Eräät vety-yhdisteet (esim silaani) muuttuvat tuoreen tutkimuksen mukaan korekissa paineissa suprajohtaviksi Lähes rajattomat sovellusmahdollisuudet