Superleder

En superleder er i fysikken en tilstand med nøyaktig null elektrisk motstand og frastøtning av magnetfelt (Meissner-effekten). Null elektrisk motstand vil også si at energi overføres uten tap, i motsetning til stort sett all annen type energioverføring. Ved Ohms lov er det heller ikke noen elektrisk spenning i superledere. Den temperaturen som skiller superledning og ikke superleding for et metall kalles den kritiske temperaturen, Tc. Over den kritiske temperaturen er altså stoffet et vanlig metall, mens under den kritiske temperaturen er det en superleder. Den kritiske temperaturen er normalt svært lav, dvs. noen få Kelvin, ca. -270 °C, for de fleste metaller. De høyeste kritiske temperaturene finner vi i en klasse av keramiske kopperoksider, som i utgangspunktet er svært dårlige elektriske ledere. Denne klassen stoffer kalles høytemperatur-superledere og ble funnet å være superledende i 1986. Høyeste kritiske temperatur ved normalt trykk er ca. -150 °C.
Superledning ble først oppdaget i 1911 av Heike Kamerlingh Onnes som fant at motstanden til kvikksølv falt til null ved -269 °C.

Elektromagneter

Den viktigste kommersielle bruken av superledere i dag er som elektromagneter, og da spesielt i forbindelse med MR-avbildning. Superledere er spesielt egnet til å lage permanente, kraftige magnetfelt siden de ikke genererer varme når kraftige strømmer sendes gjennom dem, og man sparer da strøm ved å bruke superledere. Superledende elektromagneter brukes også i stor skala til forskningsformål, hvor spesielt fremtredende eksempler er LHC i CERN i Sveits og ITER i Frankrike. Av fremtidige anvendelser kan nevnes magnetiske kulelager til bruk i skipsmotorer. Her er formålet å redusere friksjon, og dermed spare energi

Strømoverføring

Den mest opplagte anvendelsen av superledere er tapsfri strømoverføring, og dette har vært gjort i mindre testanlegg. De stedene potensialene er størst for slike anvendelser er for overføring av store strømmengder over store avstander, og for anlegg hvor varmeutvikling er et problem, f.eks. i transformatorer.

Svevetog

Her blir superlederens evne til å frastøte magnetfelt (Meissner-effekten) brukt til å holde et tog svevende. Et svevetog har svært liten friksjon og kan dermed kjøre fort og med lite energibruk. Vær oppmerksom på at flere kommersielle svevetog ikke bruker Meissner-effekten til sveving, men heller bruker superledere som elektromagneter, for å oppnå samme resultat.

Elektronikk

Elektroniske anvendelser av superleder er mange, men først og fremst innen forskning. Den viktigste anvendelsen per i dag er svært presise magnetometer, dvs. måling av magnetfelt. Basisenheten er her en SQUID, dvs. en superlede ring med isolerende kontakter (Josephson-kontakter). Superledere er også basiskomponent i mange forsøk på å lage kvantedatamaskiner.

Historikk

Superledning ble oppdaget i 1911 av den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes, som var den første til å lage flytende helium (ca. 3 K). Ved å bruke helium til kjølevæske fant han at den elektriske motstanden i kvikksølv falt brått til null ved 4,2 K. Onnes fikk nobelpris for sitt arbeid innen lavtemperatur-fysikk i 1913. I de følgende tiårene ble superledning oppdaget i diverse andre materialer, i hovedsak grunnstoffer. Den høyeste kritiske temperaturen var her for bly, ved 7 K. I 1941 ble niobiumnitritt funnet å ha kritisk temperatur på 16 K.
Det neste viktige bidraget for forståelse av superledning kom i 1933, da Meissner og Ochsenfeld fant ut at superledere frastøter magnetfelt, et fenomen nå kjent som Meissnereffekten. I 1935 fant F. og H. London at Meissner-effekten kunne forklares ved minimering av superstrømmenes frie energi.
I 1950 kom Ginzburg-Landau-teorien som forklarer superledning som en termodynamisk, annenordens faseovergang. Denne teorien er til å forklare mange superleder-relaterte fenomener, slik som Meissner-effekten, delingen i type I og type II superledning, og kvantisering av magnetisk fluks. Prediksjonen om at magnetfelt i superledere er kvantisert ble gjort av A. A. Abrikosov, et arbeid han fikk nobelprisen for i 2003.
En komplett forståelse av superledning  kom i 1957 av Bardeen, Cooper og Schrieffer (BCS), og samtidig, uavhengig av disse av N. Bogoliubov. BCS-teorien forklarer superledning ved at elektroner bindes sammen to og to (Cooper-par) og går over i en kollektiv tilstand, som kalles et kondensat. Bardeen, Cooper og Schrieffer fikk nobelprisen i 1972, for denne oppdagelsen. Videre ble viktige teoretiske arbeider relatert til BCS-teorien bla. gjort av Bogoliubov i 1958, da han viste at BCS-teorien kunne utledes ved kanoniske transformasjoner av elektronets Hamiltonoperator, og av Lev Gor'kov i 1958, da han viste at BCS-teorien og Ginzburg-Landau-teorien er forenlige i nærheten av den kritiske temperaturen.
I 1962 ble den første kommersielle superlederkabelen, laget av en niobium-titan-legering, utviklet av forskere ved Westinghouse. Samme år gjorde Brian D. Josephson en viktig teoretisk oppdagelse: en superledende tilstand kan også strekke seg over en isolatorer, bare den er tynn nok. Dette kalles nå Josephson-effekten, og er bestanddelen i så godt som all superleder-elektronikk. Josephson fikk nobelpris for denne oppdagelsen i 1973.
Forskning på hvordan superledere oppfører seg ved kontakt med isolatorer og metaller har vært et hovedelement i superleder-forskningen siden 1960-tallet. Et viktig arbeid her ble gjort av nordmannen Ivar Giæver, med sin forskning på granulære superledere, dvs. «superledende sand». Arbeidet ble gjort ved General Electrics i USA og Ivar Giæver fikk nobelprisen for arbeidet i 1973, samme år som Josephson.
BCS-teorien setter en øvre grense for superledning ved 30 K. Stor var derfor overraskelsen da Bednorz og Müller i 1986 oppdaget superledning ved 35 K i en lantan-basert kopper-perovskitt. Dette ble opptakten til oppdagelsen av en helt ny klasse stoffer som kalles høytemperatur-superledere. Kort tid senere fant Paul C. W. Chu og M.K. Wu ut at ved å bytte ut lantan med yttrium, økte den kritiske temperaturen til 92 K, noe som betyr at billig og tilgjengelig flytende nitrogen kan brukes som kjølevæske i stedet for dyr og vanskelig håndterlig flytende helium. Flere andre høytemperatur-superledere med høyere kritiske temperaturer ble funnet i de følgende årene. Bednorz og Müller fikk nobelprisen for sin oppdagelse allerede i 1987.
Den høyeste kritiske temperaturen per 2007 er i materiale bestående av thallium, kvikksølv, barium, kalsium, strontium, og oksygen, med kritisk temperatur på 138 K.