Suprajohde

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tavallinen ja suprajohtava 12 500 ampeerin kaapeli CERN:stä

Suprajohtavuus tarkoittaa monilla aineilla olevaa ominaisuutta, jossa riittävän alhaisessa lämpötilassa aineen resistiivisyys katoaa ja havaitaan Meissnerin ilmiö. Suprajohteessa sähkövirta siis etenee häviöttömästi ja ulkoinen magneettivuo ei pysty tunkeutumaan materiaaliin. Lämpötilan pitää olla alle kullekin suprajohteelle ominaisen kriittisen lämpötilan Tc. Myöskään sähkövirran tiheys ja magneettivuon tiheys eivät saa ylittää kullekin aineelle ominaista arvoa tai suprajohtavuus katoaa.

Suprajohtavuuden löysi hollantilainen Heike Kamerlingh Onnes vuonna 1911 tutkiessaan nesteheliumilla jäähdytetyn elohopean sähkönjohtavuutta. Kokeessa elohopean ominaisvastus katosi äkisti 4,2 K:n lämpötilassa.

Usein esitetyn hypoteesin mukaan kaikki metalliset alkuaineet muuttuvat joko ferromagneettisiksi tai suprajohteiksi kun lämpötilaa viedään kohti absoluuttista nollapistettä, eli kohti 0 kelvinin lämpötilaa eli −273,15 celsiusastetta. Näin on havaittu useimpien alkuaineiden kohdalla – kummankaanlaista järjestynyttä olomuotoa ei vielä ole löydetty esimerkiksi kuparista.

Suprajohteet voidaan jakaa tyypin I ja tyypin II suprajohteisiin. Tyypin I supra­johteet, jotka yleensä ovat puhtaita alkuaineita, menettävät magneetti­vuon tiheyden kasvaessa supra­johtavuutensa yhtäkkiä, yleensä jo melko heikossa magneetti­kentässä, tyypin II supra­johteet, jotka ovat seoksia, sitä vastoin vähitellen.[1] Metalli­seoksilla myös lämpötila, jonka ala­puolella ne ovat supra­johtavia, on usein korkeampi kuin niissä esiintyvillä puhtailla alkuaineilla.

On myös väitetty että neutronitähden ydin olisi suprajohteinen.

Meissnerin ilmiö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Meissnerin ilmiö
Meissnerin ilmiö.

Aineessa, jonka sähkönjohtavuus on rajaton, ei voi olla sähkökenttää, muutoin sähkövirta kasvaisi äärettömän suureksi. Samasta syystä siellä ei voi olla myöskään ajallisesti muuttuvaa magneettikenttää, sillä se indusoisi sinne sähkökentän. Jos supra­johde­kappale kuitenkin sijoitetaan ulkoiseen magneetti­kenttään, kenttä ei tunkeudu kappaleen sisään ennen kuin se kasvaa niin suureksi, että suprajohtavuus häviää. Tällöin kappale magnetoituu. Aikoinaan oletettiin, että jos ulkoista magneetti­kenttää tämän jälkeen jälleen heikennetään, kunnes kappale tulee jälleen supra­johtavaksi, se myös jäisi pysyvästi magneettiseksi. Vuonna 1933 Meissner ja Ochsenfeld kuitenkin osoittivat kokeellisesti, että näin ei tapahdu, vaan supra­johtavassa kappaleessa magneetti­kenttä palautuu tämän jälkeenkin nollaksi. Suprajohteet ovat siis täydellisiä diamagneetteja. Tätä ilmiötä sanotaan Meissnerin ilmiöksi.[2]

Magneetti hylkii diamagneettisia aineita, yleensä tosin niin heikosti, että ilmiö on vaikea havaita. Suprajohteiden diamagneettisuus on kuitenkin niin voimakasta, että ilmiö aiheuttaa supra­johtavuuden demonstroinnissa usein esitetyn magneetin leijumisen supra­johteen yläpuolella.

Jos suprajohdekappale kuitenkin on renkaan muotoinen, siinä voi olla staattinen magneetti­kenttä. Se on kuitenkin kvantittunut niin, että sen magneettivuo renkaan poikki­pinnan yli on jokin lausekkeen h/2e monikerta, missä h on Planckin vakio ja e alkeisvaraus.[3]

Kvanttiteoreettinen selitys[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suprajohtavuus voidaan selittää kvantti­mekaniikan avulla. Vuonna 1957 Bardeen, Cooper ja Schrieffer keksivät teorian, joka selittää niin kutsuttujen perinteisten suprajohteiden toimintaperiaatteen. Tämän BCS-teorian mukaan suprajohtavuus johtuu siitä, että kiteessä elektroni vetää puoleensa lähellä olevia positiivisia ioneja, jotka taas vuorostaan vetävät puoleensa toisia lähellä olevia elektroneja. Täten vaikka elektronien välillä vallitseekin sähköinen poistovoima, positiivisten ionien välityksellä ne kuitenkin sitoutuvat toisiinsa määräetäisyydelle muodostaen Cooperin pareja, jotka monessa suhteessa käyttäytyvät kuin yksi hiukkanen niin kauan, kuin kytkentä säilyy. Koska lisäksi Cooperin parissa olevien elektronien yhteen­laskettu spin on kokonaisluku, ne käyttäytyvät bosonien tavoin, minkä vuoksi useammallakin Cooperin parilla voi olla sama aaltofunktio. Elektronien välisen kytkennän purkaminen vaatii energiaa. Tavallissa lämpö­tiloissa tämä energia saadaan kiteen lämpö­värähtelyistä, mutta hyvin alhaisissa lämpö­tiloissa energiaa ei ole tähän riittävästi. Koska Cooperin pari ei hajoa, elektroni ei voi törmätä mihinkään, minkä vuoksi aineessa ei myöskään ole resistanssia.

Josephsonin ilmiö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Samana vuonna 1962 Brian Josephson laati teorian, jonka mukaan kahden suprajohteen välissä olevan ohuen eristekerroksen läpi voi kulkea sähkövirta suprajohtavasti. Tähän Josephsonin ilmiöön perustuu myöhemmin kehitetty hyvin heikkojen magneettikenttien mittauksiin soveltuva SQUID-laite (Superconducting Quantum Interference Device).

Suprajohtavia seoksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Nykyään yleisin perinteinen suprajohde niobium-titaani (NbTi) löydettiin vuonna 1962 Westinghouse-yhtiössä. Sen muokattavuus mahdollisti johtimien valmistamisen ja sitä kautta vahvojen sähkömagneettien tuottamisen. NbTi:n kriittinen lämpötila on 11 K, joten se luetaan matalan lämpötilan suprajohteisiin. Muita nykyään yleisesti käytettäviä perinteisiä suprajohteita ovat Nb pinnoitteisiin ja Nb3Sn erittäin voimakkaan magneettikentän sovelluksiin.


Korkean lämpötilan suprajohteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuonna 1986 löydettiin ensimmäinen korkean lämpötilan suprajohde. Sen kriittinen lämpötila oli 39 K.lähde? Korkean lämpötilan suprajohteiden toimintaa ei osattu varmuudella selittää BCS-teorialla. Ensimmäisestä keraamisesta korkean lämpötilan suprajohteesta kehitettiin edelleen toinen keraaminen suprajohde, nimeltään YBCO (Yttrium-barium-kuparioksidi, YBa2Cu3O7), jonka kriittinen lämpötila on 92 K. Suhteellisen korkea kriittinen lämpötila mahdollistaa aineen käytön suprajohteena nestetypellä jäähdytettynä. Nestetyppi on huomattavan paljon helpompaa käsitellä ja halvempaa kuin esimerkiksi nestemäinen helium, jolla päästään erittäin mataliin lämpötiloihin. Toisaalta viime vuosina lämpöpumppuun perustuvat kryojäähdyttimet ovat muutenkin helpottaneet jäähdytystä.

Vuoteen 2007 mennessä korkein saavutettu kriittinen lämpötila on 133 K, johon päästiin vuonna 1994 Hg0.8Pb0.2Ba2Ca2Cu3Ox-yhdisteellä. Samana vuonna päästiin myös transitiolämpötilaan 164 K, mutta se oli 30 GPa paineessa. [4]

Sovellukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ylivoimainen enemmistö kaupallisista ja tieteellisistä sovelluksista hyödyntää suprajohteita voimakkaan magneettikentän aikaansaamiseen. Suprajohteeseen perustuva sähkömagneetti on niissä tapauksissa usein vastaavaa kestomagneettia kevyempi, vaikka otetaan huomioon jäähdytyslaitteisto. On selvää, ettei sellaisissa sovelluksissa voida käyttää materiaaleja, jotka menettävät suprajohtavuutensa voimakkaassa magneettikentässä.

Lääketieteellinen magneettiresonanssikuvaus (MRI) on 1980-luvun jälkeen ollut kaupallisesti ylivoimaisesti suurin käyttökohde. Ydinmagneettiseen resonanssiin (NMR) perustuvilla laitteilla puolestaan analysoidaan useimmiten kemiallisten yhdisteiden koostumusta ja rakennetta, joskin myös kvanttitietokoneessa voi hyödyntää samaa ilmiötä. Myös joissain levitaatiojunissa käytetään suprajohteita. Edelleen teollisten sovellusten puolella mineraalien puhdistuksessa voidaan käyttää voimakkaita magneetteja.

Muista kuin magneetteihin liittyvistä sovelluksista mainittakoon vikavirtarajoittimet. Ne perustuvat suprajohtavuuden häviämiseen virran ylitettyä tietyn, materiaalille ominaisen arvon.

Tieteellisemmistä sovelluksista ajankohtaisimpia on CERNin suurenergiafysiikan tutkimuksessa käytettävä hadronitörmäytin (LHC). Suprajohteita hyödynnetään sekä kiihdytettävien hiukkasten ohjailuun käytettävissä noin 8000:ssa magneetissa että detektoreissa olevissa magneeteissa.

Tulevaisuuden suuri suprajohteita käyttävä hanke on kansainvälinen fuusioreaktori ITER. Fuusiossa käytettävän plasman koossa pitämiseen tarvitaan voimakkaita magneetteja. Suprajohtavia johtimia osin jopa 26 m halkaisijaltaan oleviin keloihin tarvitaan yhteensä 700 tonnia.

Uusien suprajohteiden kehittely on aikaavievää. Huoneenlämmössä toimiva suprajohde olisi tieteellinen läpimurto.

Suprajohtavat alkuaineet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Alla olevassa taulukossa punaisella merkityt alkuaineet tulevat suprajohtaviksi niiden kemiallisen merkin alle merkityssä lämpötilassa.[5]

Ryhmä → 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
(I II III IV V VI VII VIII)
↓ Jakso
1 1
H

2
He
2 3
Li
0,4 mK[6]
4
Be
0,0 K

5
B]
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
3 11
Na
12
Mg

13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
4 19
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
0,4 K
23
V
5,4 K
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
0,9 K
31
Ga
1,1 K
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
5 37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
0,6 K
41
Nb
9,3 K
42
Mo
0,9 K
43
Tc
7,8 K
44
Ru
0,5 K
45
Rh
0,0 K
46
Pd
47
Ag
48
Cd
0,5 K
49
In
3,4 K
50
Sn
3,7 K
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
6 55
Cs
56
Ba
*
72
Hf
0,1 K
73
Ta
4,5 K
74
W
0,0 K
75
Re
1,7 K
76
Os
0,4 K
77
Ir
0,1 K
78
Pt
79
Au
80
Hg
4,2 K
81
Tl
3,4 K
82
Pb
7,2 K
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
7 87
 Fr
88
Ra
**
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Uub
113
Uut
114
Uuq
115
Uup
116
Uuh
117
Uus
118
Uuo

* Lantanoidit 57
La
6,0 K
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
7,1 K
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
** Aktinoidit 89
Ac
90
Th
1,4 K
91
Pa
1,4 K
92
U
0,2 K
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cu
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr
Alkalimetallit Maa-alkalimetallit Lantanoidit Aktinoidit Siirtymäalkuaineet
Muut metallit Puolimetallit Muut epämetallit Halogeenit Jalokaasut

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. H. E. Hall: Solid State Physics, s. 274. John Wiley & Sons Ltd, 1979. ISBN 0-471-34281-5.
  2. Hall, s. 264
  3. Hall, s. 271-272
  4. Poole Jr, CP et al.: "Superconductivity", sivu 24. Toinen painos, Academic Press, 2007
  5. James William Rohlf: Modern Physics from α to Z0, John Wiley 1994, ISBN 0-471-57270-5
  6. J. Tuoriniemi, Kirsi Juntunen-Nurmilaukas, Johanna Uusvuori, Elias Pentti, Anssi Salmela ja Alexander Sebedash, Nature 447, 187-189 (2007).

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Thuneberg, Erkki: Suprajohtavuus (pdf) (Suprajohtavuuden kurssin luentomoniste) Oulun yliopisto.