Suprajohtavuus Antti Leino & Matias Knuuti

Johdanto Suprajohtavuus tarkoittaa tietyillä aineilla esiintyvää ominaisuutta, jonka takia aine menettää resistiivisyytensä alittaessaan aineelle ominaisen kriittisen lämpötilan Tc Kriittisen lämpötilan alapuolella aineilla havaitaan myös Meissnerin ilmiö Suprajohteet jaetaan tyypin I- ja tyypin II suprajohteisiin niiden ominaisuuksien mukaan

Historiaa Suprajohtavuuden löysi hollantilainen Heike Kamerlingh Onnes vuonna 1911 tutkiessaan nesteheliumilla jäähdytetyn elohopean ominaisuuksia. Walther Meissner ja Robert Ochsenfeld löysivät Meissnerin ilmiön vuonna 1933 Londonin veljekset kirjoittivat vuonna 1935 Londonin yhtälöt, joilla voidaan selittää mm. Meissnerin ilmiö John Bardeen, Leon Neil Cooper ja John Robert Schrieffer esittivät vuonna 1957 BCS-teorian, ensimmäisen selityksen ressistenssin häviämiselle matalissa lämpötiloissa suprajohteissa ja muille siihen liittyville ilmiöille. Ensimmäinen korkean lämpötilan suprajohde löydettiin 1986 Nobelin palkintoja suprajohteisiin liittyen on annettu viidesti

Tyypin I suprajohteet Vanhimmat ja yleisimmät suprajohteet Omaavat hyvin matalan kriittisen lämpötilan (Tc<30K) Monesti puhtaita alkuaineita Eivät kykene päästämään magneettikenttää lävitseen menettämättä suprajohtavuuttaan

Suprajohtavat alkuaineet

Meissnerin ilmiö Kun aine jäähdytetään suprajohtavaan tilaan, magneettikenttä häviää siitä. Tätä kutsutaan Meissnerin ( täsmällisemmin Meissnerin- Ochsenfieldin) ilmiöksi. Meissnerin ilmiö johtuu kappaleen pinnalla kappaleen pintaan muodostuvista voimakkaista ja vaimenemattomista sähkövirroista – nämä sähkövirrat luovat ulkoiselle kentälle vastakkaisen magneettikentän, kumoten tämän Meissnerin ilmiö katoaa, kun magneettikentän voimakkuus kasvaa tarpeeksi ja ylittää kriittisen magneettikentän arvon (Hc1) Meissnerin ilmiön takia suprajohteet hylkivät magneetteja

Suprajuoksevuus Suprajuoksevuus on suprajohtavuuden kanssa analoginen ilmiö. Suprajuoksevassa tilassa olevilla aineilla ei ole lainkaan viskositeettia Suprajuoksevia nesteitä tunnetaan kaksi: 4He ja 3He Suprajuoksevia tiloja havaitaan myös alkalimetallien kaasuissa, esimerkiksi 87Rb, 7Li, 23Na Suprajuoksevuuden saavuttaakseen hiukkasten spinin pitää olla kokonaisluku, jolloin ne käyttäytyvät kuin bosonit

Tyypin II suprajohteet Tyypin II, eli korkean lämpötilan, suprajohteet ovat aineita, jotka kykenevät päästämään magneettikentän lävitseen menettämättä suprajohtavuuttaan, toisin kuin tyypin I suprajohteet Soveltuvat tyyppiä I paremmin esim. sähkömagneetteihin Kun magneettikentän voimakkuus ylittää kriittisen arvon Hc1, aine siirtyy sekatilaan, jossa se päästää magneettikentän läpi eräänlaisina yhden vuokvantin suuruisina pyörrevirtoina, säilyttäen suprajohtavuutensa Suurin osa tyypin II suprajohteista on keraameja, joista tällä hetkellä korkeimmassa lämpötilassa(133K) toimiva on Hg0.8Pb0.2Ba2Ca2Cu3Ox 164K lämpötilaankin on päästy, mutta vain 30GPa paineessa BCS-teoria ei tarjoa selitystä tyypin II suprajohteille Tyypin II suprajohteet mahdollistavat kvanttilevitaation

BCS-teoria Vaikka elektronien välillä vallitseekin sähköinen poistovoima, positiivisten ionien välityksellä ne kuitenkin sitoutuvat toisiinsa määräetäisyydelle muodostaen Cooperin pareja Nämä parit käyttäytyvät monessa suhteessa kuin yksi hiukkanen niin kauan, kuin kytkentä säilyy Koska Cooperin parin elektronien yhteenlaskettu spin on kokonaisluku, ne käyttäytyvät bosonien tavoin (bosoneilla voi olla keskenään sama aaltofunktio), eivätkä siten omaa resistanssia Cooperin parin purkamiseen tarvitaan energiaa, joka saadaan tavallisesti hiukkasten lämpövärähtelyistä, mutta tarpeeksi alhaisissa lämpötiloissa energiaa ei ole riittävästi

Kvanttilevitaatio Kvanttilevitaatio (suprajohtava magneettinen levitaatio, quantum locking) perustuu tyypin II suprajohteiden ominaisuuteen flux pinning (vuolukittautuminen) Suprajohde päästää osan magneettikentästä lävitseen, ja nämä magneettikentän kvantit lukitsevat suprajohteen paikalleen. Suprajohteen asentoa voidaan kuitenkin mekaanisesti muunnella kuten videolla käy ilmi Toisin kuin Meissnerin ilmiössä, kvanttilevitoiva suprajohde pyrkii säilyttämään asentonsa kaikkiin suuntiin liikutettaessa

Sovelluksia Jännitehäviöttömät johtimet =>Voimakkaat sähkömagneetit Hiukkaskiihdyttimet (esim. CERN) Positiivisesti varautuneen plasman kontrollointi (fuusioenergia) Suprajohteiden välisten kytkentöjen heikon suprajohtavuuden hyödyntäminen (Josephsonin ilmiö) Erittäin heikkojen magneettikenttien mittaaminen SQUID (superconducting quantum interference device) kykenee havaitsemaan ja mittaamaan 5×10 -18 teslan magneettikenttiä (tyypillinen jääkaappimagneetti tuottaa 10−2 teslan magneettikentän)

Tulevaisuudennäkymiä Suprajohteiden käyttöä ollaan laajentamassa yhä useampiin käyttökohteisiinmoninaisiin käyttötarkoituksiin kuten esimerkiksi Maglev-juniin (Magnetic levitation) Huoneenlämmössä toimivan suprajohteen kehittäminen mahdollistaisi muun muassa suprajohteiden käyttämisen johtimina kaikissa sähkökytkennöissä, jolloin energiaa säästyisi. Lähes 300 kelvinissä suprajohtavan aineen kehittämistä saisikin varmasti Nobelin!