Suprajohde – mikä se on, ominaisuudet, esimerkit ja Meissner-ilmiö

Tutustu suprajohteisiin: mitä ne ovat, niiden ominaisuudet, käytännön esimerkit ja Meissner-ilmiö — kuinka materiaali hylkii magneettikenttiä ja leijuu.

Suprajohde on aine, joka johtaa sähköä ilman vastusta, kun se jäähdytetään alle tietyn kriittisen lämpötilan (Tc). Tässä lämpötilassa elektronit muodostavat sidonnaisia pareja (ns. Cooper-parit) ja liikkuvat materiaalin läpi ilman energiaa häviävää resistanssia. Suprajohteet eroavat tavallisista johtimista, kuten kuparista, sillä tavallisissa johtimissa resistanssi pienenee vain asteittain kylmettäessä, kun taas suprajohteessa resistanssi katoaa jyrkästi tietyn kriittisen pisteen ylittyessä — tämä on esimerkki faasimuutoksesta.

Miten suprajohtavuus syntyy

Suprajohtavuuden ilmiötä selittää BCS-teoria (Bardeen, Cooper ja Schrieffer). Siinä elektronit sitoutuvat toisiinsa väliaikaisesti kohdistaen kiderakenteeseen syntyvää ääni- tai fononipiikkeilyä, jolloin muodostuu Cooper-pareja. Nämä parit kulkevat koherenttina kvanttitilana ilman satunnaista sirontaa, mikä poistaa sähkönvastuksen. Ilmiö on kvanttimekaaninen ja näkyy makroskooppisina ilmiöinä, kuten häviöttöminä pysyvinä virtapiireinä.

Keskeiset rajat: kriittiset arvot

Suprajohtavuus säilyy vain, kun kaikki kolme seuraavaa ehtoa täyttyvät: lämpötila on alle kriittisen lämpötilan (Tc), magneettikenttä pienempi kuin kriittinen magneettikenttä (Hc), ja kulkeva sähkövirta ei ylitä kriittistä virtaa (Ic) tai kriittistä virhetystehoa (kriittistä virrantiheyttä Jc). Suuret magneettikentät tai liian suuri virta "tuhoavat" suprajohtavuuden ja palauttavat normaalin johtavan tilan.

Tyypit ja ominaisuudet

• Tyypin I suprajohteet: yleensä puhtaita metalleja (esim. elohopea, lyijy) joiden suprajohtavuus katkeaa äkillisesti kriittisen magneettikentän ylittäessä Hc. Ne näyttävät täydellisen diamagnetismin (Meissner-ilmiön).
• Tyypin II suprajohteet: yleisempiä teknisissä sovelluksissa (esim. niobium-tina, niobium-titanaatti, korkean Tc keramiikat). Niissä on kaksi kriittistä kenttää (Hc1 ja Hc2) ja magneettikenttä tunkeutuu materiaaliin kvantittuneina vortexeina (magneto-vortexit), joiden lukumäärä on rajoitettu. Flux-pinninga eli flux-lukkiutuminen mahdollistaa vakaan magneettisen leijunnan.
• Korkean lämpötilan suprajohteet: keramisten kupraatityyppien (esim. YBa2Cu3O7, YBCO) kriittiset lämpötilat voivat olla yli 77 K, jolloin jäähdytys käy halvemmin nestemäisellä typellä. Toisaalta niiden kvanttimekanismi on monimutkaisempi ja ei täysin selkeä.

Meissner-ilmiö

Normaalisti johtimen läpi liikkuva magneetti indusoi siihen sähkömagneettisen induktion kautta virtauksia. Suprajohde kuitenkin poistaa magneettikentän sisältään aikaan saamalla pinnalle häviöttömiä pintavirtoja, jotka kumoavat sisään tulevan kentän — tämä täydellinen magneettinen poissulkeminen on Meissner-ilmiö. Erityisesti:

• Meissner-ilmiö erottaa suprajohteen pelkästä täydellisestä johtimesta: täydellinen johtin voisi vain estää muuttuvat kentät, mutta suprajohde poistaa myös staattisen kentän sisätilastaan.
• Tyypin II suprajohteissa magneettikenttä voi osittain tunkeutua, mutta kvantittuneina fluxon-jonona. Näiden fluxonien lukkiutuminen materiaaliin tekee leijunnasta stabiilin (esim. maglev-leijunta, jossa kappale voi pysyä paikallaan magneetin päällä tai alla).
• Meissner-ilmiön seurauksena suprajohtava kappale voi leijua magneetin yli tai magneetti voi leijua suprajohtavan kappaleen yläpuolella — tunnettu demonstraatio suprajohteen ja magneetin välisestä repulsionista.

Esimerkkejä ja käytännön sovelluksia

Esimerkkejä suprajohteista: metallit kuten elohopea (Hg, Tc ≈ 4,2 K) ja lyijy (Pb, Tc ≈ 7,2 K), tekniset seokset kuten niobium-tina, korkean Tc keramiikat (esim. YBCO) sekä tietyt orgaaniset yhdisteet ja hiilinanoputket, joiden suprajohtavuusominaisuuksia tutkitaan aktiivisesti.

Tärkeitä sovelluksia:

• MRI- ja NMR-laitteet: suprajohtavat magneetit tuottavat voimakkaita ja homogeenisia kenttiä.
• Maglev-junat: suprajohtavat magneetit mahdollistavat kitkattoman leijunnan ja vetovoiman.
• Partikkelikiihdyttimet ja synkrotronit: suprajohtavat kelat ja magneetit
• SQUIDit (suprajohtavat kvanttivasteet): erittäin herkkiä magneettikenttäantureita lääketieteeseen ja tutkimukseen.
• Sähköverkkotekniikat: häviöttömät kaapelit ja voimamuuntimet ovat tutkinnan kohteena, samoin energian varastointi suprajohtavissa magneettisissa keloissa (SMES).
• Kvanttiteknologia: suprajohtavat kubitit ja Josephson-ilmiö ovat keskeisiä kvanttitietokoneiden toteutuksissa.

Rajoitukset ja haasteet

Suprajohteiden laajamittainen käyttö on rajoittunutta, koska monet materiaalit vaativat erittäin alhaisia lämpötiloja (nestemäinen helium, 4 K) ja erityisiä jäähdytysratkaisuja. Lisäksi kellään suprajohtimella ei ole ääretöntä kriittistä kenttää tai virrantiheyttä; suuri ulkoinen kenttä tai liian voimakas virta palauttaa normaalitilan. Materiaalikehitys, kuten korkean Tc -suprajohteet ja helpommin jäähdytettävät yhdisteet, on aktiivisen tutkimuksen kohteena.

Historiaa ja tutkimus

Suprajohtavuus löydettiin vuonna 1911, kun Heike Kamerlingh Onnes havaitsi elohopean resistanssin katoamisen hyvin alhaisessa lämpötilassa. BCS-teoria selitti ilmiön matalan lämpötilan suprajohteissa 1950-luvulla. Sittemmin on löydetty lukuisia uusia materiaaleja ja ilmiöitä, kuten korkean Tc -keramiikat ja epätavalliset suprajohtavuuden mekanismit, jotka ovat edelleen aktiivisen tutkimuksen kohteena.

Yhteenvetona: suprajohde on erikoistila, jossa sähkövirta kulkee ilman resistanssia ja magneettikentät poistuvat materiaalin sisätilasta (Meissner-ilmiö). Sen hyödyntäminen tarjoaa suuria mahdollisuuksia tekniikassa ja tieteessä, mutta vaatii edelleen materiaalitutkimusta ja käytännön jäähdytysratkaisujen kehittämistä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on suprajohde?

K: Miten suprajohde eroaa tavallisesta johtimesta?

K: Mitä esimerkkejä suprajohteista on?

K: Miten johtajan ohi liikkuva magneetti vaikuttaa siihen?

K: Mikä on Meissnerin vaikutus?

Kysymys: Tuhoaako vai parantaako suuri magneettikenttä suprajohtavuutta?

Hae kirjaimella