Suprajohtavuus

1. Suprajohtavuus • Niko Johansson ja Ville Paasonen

2. 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)

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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)

9. 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

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

11. suprajohtavat alkuaineet

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

13. 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

14. 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

15. 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