Suprajohde

Wikipedia

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 T_c. Myöskään sähkövirrantiheys ja magneettivuontiheys eivät saa ylittää kullekin aineelle ominaista arvoa tai suprajohtavuus katoaa.

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.

Metallien seoksilla transitiolämpötila, jonka alapuolella ne ovat suprajohtavia, on usein korkeampi kuin niissä esiintyvillä puhtailla alkuaineilla.

On myös väitetty että neutronitähden ydin olisi suprajohteinen.

Sisällysluettelo 1 Historia 2 Sovellukset 3 Suprajohtavat alkuaineet 4 Katso myös 5 Viitteet

[muokkaa] Historia

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

Vuonna 1933 Walter Meißner totesi, ettei suprajohteen sisällä ole tietyn tunkeutumissyvyyden jälkeen magneettikenttää (ei edes staattista). Tämä Meissnerin ilmiö aiheuttaa usein suprajohtavuuden demonstroinnissa esitetyn magneetin leijumisen suprajohteen yläpuolella.

Vuonna 1957 Bardeen, Cooper ja Schrieffer keksivät teorian, joka selittää niin kutsuttujen perinteisten suprajohteiden toimintaperiaatteen. Tämän BCS-teorian mukaan suprajohteissa elektronit muodostavat niin kutsuttuja Cooperin pareja, jotka voivat edetä häviöttömästi kidehilassa, jonka lämpöliike on riittävän vähäinen. Tällöin kidehila ei kykene luovuttamaan niin suurta energiakvanttia kuin tarvittaisiin Cooperin parin virittämiseen.

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.

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).

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 havelmpaa 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 Hg_0.8Pb_0.2Ba₂Ca₂Cu₃O_x-yhdisteellä. Samana vuonna päästiin myös transitiolämpötilaan 164 K, mutta se oli 30 GPa paineessa. ^[1]

[muokkaa] Sovellukset

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. Lisäksi kovin voimakkaita magneettikenttiä ei edes pystytä saamaan aikaan muilla kuin suprajohteilla. 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. Tieteen läpimurto olisi, mikäli saataisiin kehitettyä huoneenlämmössä toimiva suprajohde.

[muokkaa] Suprajohtavat alkuaineet

Alla olevassa taulukossa punaisella merkityt alkuaineet tulevat suprajohtaviksi niiden kemiallisen merkin alle merkityssä lämpötilassa.^[2]

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[3]

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

[muokkaa] Katso myös

• Andreevin heijastus
• Josephsonin ilmiö

[muokkaa] Viitteet

1. ↑ Poole Jr, CP et al.: "Superconductivity", sivu 24. Toinen painos, Academic Press, 2007
2. ↑ James William Rohlf: Modern Physics from α to Z⁰, John Wiley 1994, ISBN 0-471-57270-5
3. ↑ J. Tuoriniemi, Kirsi Juntunen-Nurmilaukas, Johanna Uusvuori, Elias Pentti, Anssi Salmela ja Alexander Sebedash, Nature 447, 187-189 (2007).