Mikä on suprajohde? Määritelmä, tyypit ja käyttötarkoitukset

Suprajohde on materiaali, joka jäähtyessään kriittiseksi lämpötilaksi kutsutun lämpötilan alapuolelle menettää yhtäkkiä kaiken sähkövastuksensa, jolloin se voi johtaa sähköä ilman energian menetystä . Näillä materiaaleilla on myös hyvin erikoinen magneettinen ominaisuus: ne ovat täydellisesti diamagneettisia aineita, eli ne sulkevat pois magneettikenttäviivat. Tämä tarkoittaa, että kun magneetti sijoitetaan lähelle, magneettikenttäviivat kulkevat sivujen läpi, mutta eivät tunkeudu materiaaliin.

Kun suprajohtavaan materiaaliin, kuten pyöreään johtoon, indusoidaan sähkövirta, tämä virta jatkaa kulkuaan loputtomasti niin kauan kuin materiaali pysyy kylmänä. Tätä vastustamatonta virtaa kutsutaan supervirraksi ja sitä käytetään muun muassa erittäin voimakkaiden magneettikenttien tuottamiseen.

Suprajohtavuus, eli materiaalin ominaisuus tulla suprajohteeksi kriittisen lämpötilan alapuolella, löydettiin vuonna 1911, ja se järkytti aikansa fyysikot täysin. Kesti yli kaksi vuosikymmentä ennen kuin sen diamagneettiset ominaisuudet (kutsutaan Meissner-ilmiöksi ) löydettiin, ja melkein puoli vuosisataa ennen kuin fyysikot pystyivät selittämään suprajohtavuuden syyn. Vuonna 1957 John Bardeen, Leon Cooper ja Bob Schrieffer ratkaisivat ongelman, mikä ansaitsi heille fysiikan Nobelin vuonna 1972.

Kriittisen lämpötilan ja korkean lämpötilan suprajohteet

Ensimmäisen löydetyn suprajohteen kriittinen lämpötila on vain 3,6 K, mikä vastaa -269,6 °C:ta. Tällaisten alhaisten lämpötilojen luominen ja ylläpitäminen on äärimmäisen vaikeaa, mikä on rajoittanut suprajohteiden käytön kouralliseen hyvin erityisiin sovelluksiin, kuten tulemme näkemään myöhemmin tässä artikkelissa.

Tästä syystä ympäri maailmaa on satoja tutkijoita, jotka työskentelevät jatkuvasti suprajohteiden kehittämiseksi, joiden kriittinen lämpötila on lähellä huoneenlämpötilaa. Näitä materiaaleja kutsutaan korkean lämpötilan suprajohtimiksi.

Varhainen edistyminen nosti kriittistä lämpötilaa muutamalla kymmenellä asteella, mutta viime aikoina on kehitetty ensimmäistä kertaa suprajohde, jonka kriittinen lämpötila on 14,5 °C.

suprajohteiden tyyppejä

Suprajohtimia on pohjimmiltaan kahta tyyppiä riippuen niiden koostumuksesta ja tavasta, jolla ne ovat vuorovaikutuksessa magneettikenttien kanssa.

Tyypin I suprajohteet

Nämä löydettiin ensimmäisinä. Nämä ovat puhtaita elementtejä, joilla on Meissner-ilmiö, eli ne hylkivät magneettikenttiä, kun ne ovat kriittisen lämpötilan alapuolella. Yleensä niillä on yksi kriittinen lämpötila, joka on ominaista kullekin materiaalille, ja sähkövastuksen lasku kriittisen lämpötilan alapuolelle on äkillistä.

Tyypin II suprajohteet

Ne koostuvat eri alkuaineiden seoksista, jotka yhdistyvät muodostaen metalliseoksia tai keraamisia materiaaleja, joilla on suprajohtavuus. Mikä erottaa ne tyypin I suprajohteista, on se, että sähkövastuksen pudotus on asteittainen, joten niillä on kaksi kriittistä lämpötilaa: yksi, kun vastus alkaa laskea ja toinen, kun se saavuttaa nollan.

Toinen tämän tyyppisen suprajohteen tärkeä ominaisuus on, että jos riittävän vahva ulkoinen magneettikenttä kohdistetaan, materiaali menettää suprajohtavuutensa.

Suprajohteiden käyttötarkoitukset

hiukkaskiihdyttimiä

Ehkä vaikuttavin suprajohteiden sovellus tähän mennessä on hiukkasfysiikan tieteellisen tutkimuksen alalla. Suprajohtimia käytetään sähkömagneeteissa, jotka pitävät hiukkassäteen rajoitettuna Large Hadron Colliderissa, joka on yksi suurimmista ihmisen rakentamista koneista.

lämpöydinvoimaa

Ydinfuusio on ollut puhtaan energian unelmalähde 100 vuoden ajan. Ydinfuusion aikaansaamiseksi ja ylläpitämiseksi kaasumainen vety ja helium on kuitenkin kuumennettava 100 miljoonaan celsiusasteeseen, kun se pyörii onton donitsin sisällä, nimeltään Tokamak, missä sitä rajoittavat tehokkaat suprajohteista tehdyt sähkömagneetit.

kvanttilaskenta

Yksi kvanttilaskennan lupaavimmista toteutuksista käyttää suprajohtavia piirejä, jotka ovat välttämättömiä sen toiminnalle.

Lääketieteellinen diagnostinen kuvantaminen

Suprajohteiden kehitys on mahdollistanut sellaisten lääketieteellisten kuvantamisen diagnostisten laitteiden ja tekniikoiden luomisen, jotka eivät olleet aikaisemmin mahdollisia. Yksi näistä tekniikoista on SQUID-magnetoenkefalografia, joka pystyy havaitsemaan muutoksia magneettikentissä, jotka ovat miljardisosa kompassin neulan liikuttamiseen tarvittavasta magneettikentästä.

sähköntuotanto

Lopuksi toinen viimeaikainen sovellus on suprajohtavasta langasta valmistettujen sähkögeneraattoreiden käyttö kuparilangan sijaan. Nämä generaattorit ovat paljon tehokkaampia kuin perinteiset, ja paljon pienempiä ja kevyempiä.

Viitteet

Charles Slichter (2007). Johdatus suprajohtavuuden historiaan (fysiikan opiskelijoille ja tutkijoille). Haettu osoitteesta https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (lokakuu 2020). Ensimmäinen huoneenlämpöinen suprajohde kiihottaa – ja hämmentää – tutkijoita. Nature 586, 349. Haettu osoitteesta https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  et ai.  (2020). Huoneenlämpöinen suprajohtavuus hiilipitoisessa rikkihydridissä. Nature  586,  373–377. Haettu osoitteesta https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas