Suprajohde
Suprajohtavuus tarkoittaa ominaisuutta, jossa riittävän alhaisessa lämpötilassa joidenkin aineiden resistiivisyys katoaa ja havaitaan Meissnerin ilmiö. Suprajohteessa sähkövirta 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 4,2K:n lämpötilassa.
Usein esitetyn hypoteesin mukaan kaikki metalliset alkuaineet muuttuvat joko ferromagneettisiksi tai suprajohteiksi kun lämpötilaa viedään kohti absoluuttista nollapistettä eli kohti 0K:n lämpötilaa eli −273,15°C:a. 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.
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]
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.
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).
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 11K, joten se luetaan matalan lämpötilan suprajohteisiin. Muita nykyään yleisesti käytettäviä perinteisiä suprajohteita ovat Nb pinnoitteisiin ja Nb3Sn erittäin voimakkaan magneettikentän sovelluksiin.
Joulukuussa 1985 löydettiin ensimmäinen korkean lämpötilan suprajohde, Ba-La-Cu-O alkuaineiden yhdiste. Sen kriittinen lämpötila on 35K.[4] 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 92K. 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.
Magnesiumdiboridin kriittinen lämpötila on 39K. Sen etuna moniin muihin suprajohteisiin verrattuna on halpa hinta ja metallisena se on helposti muokattava ja siitä voidaan valmistaa pitkiäkin kaapeleita edullisemmin kuin muista suprajohtavista materiaaleista.
Vuoteen 2007 mennessä korkein saavutettu kriittinen lämpötila on 133K, johon päästiin vuonna 1994 Hg0.8Pb0.2Ba2Ca2Cu3Ox-yhdisteellä. Samana vuonna päästiin myös transitiolämpötilaan 164K, mutta se oli 30GPa:n paineessa. [5]
Käytännöllinen maksimi magneettikenttä, johon NbTi-magneeteilla päästään on 8 teslaa.[6] NbSn-magneeteilla ennätys on 16,1 teslaa.[6] Esteenä NbSn:n käytön yleistymiselle on materiaalin hankala työstettävyys. Suprajohtavan muodon saavuttamiseksi se täytyy lämpökäsitellä 650°C:ssa, jonka jälkeen siitä tulee hyvin hauras.[6]
Rikkivety saadaan suprajohtavaksi noin −70°C:n lämpötilassa mutta siihen vaaditaan yli 1,5 miljoonaa kertaa ilmakehän paine.[7]
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 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 metriä halkaisijaltaan oleviin keloihin tarvitaan yhteensä 700 tonnia.
Uusien suprajohteiden kehittely on aikaavievää. Huoneenlämmössä toimiva suprajohde olisi tieteellinen läpimurto.
Alla olevassa taulukossa punaisella merkityt alkuaineet tulevat suprajohtaviksi niiden kemiallisen merkin alle merkityssä lämpötilassa.[8]
Ryhmä→123456789101112131415161718(IIIIIIIVVVIVIIVIII)↓Jakso11 H2 He23 Li[9] 0,4 mK4 Be 0,0 K5 B]6 C7 N8 O9 F10 Ne311 Na12 Mg13 Al14 Si15 P16 S17 Cl18 Ar419 K20 Ca21 Sc22 Ti 0,4 K23 V 5,4 K24 Cr25 Mn26 Fe27 Co28 Ni29 Cu30 Zn 0,9 K31 Ga 1,1 K32 Ge33 As34 Se35 Br 36 Kr537 Rb38 Sr39 Y40 Zr 0,6 K41 Nb 9,3 K42 Mo 0,9 K43 Tc 7,8 K44 Ru 0,5 K45 Rh 0,0 K46 Pd47 Ag48 Cd 0,5 K49 In 3,4 K50 Sn 3,7 K51 Sb52 Te53 I54 Xe655 Cs56 Ba* 72 Hf 0,1 K73 Ta 4,5 K74 W 0,0 K75 Re 1,7 K76 Os 0,4 K77 Ir 0,1 K78 Pt79 Au80 Hg 4,2 K81 Tl 3,4 K82 Pb 7,2 K83 Bi84 Po85 At86 Rn787 Fr88 Ra** 104 Rf105 Db106 Sg107 Bh108 Hs109 Mt110 Ds111 Rg112 Uub113 Uut114 Uuq115 Uup116 Uuh117 Uus118 Uuo* Lantanoidit57 La 6,0 K58 Ce59 Pr60 Nd61 Pm62 Sm63 Eu64 Gd 7,1 K65 Tb66 Dy67 Ho68 Er69 Tm70 Yb71 Lu** Aktinoidit89 Ac90 Th[10] 1,368 K91 Pa[10] 1,4 K92 U[10] 0,68 K93 Np94 Pu95 Am[10] 0,625 K96 Cm97 Bk98 Cf99 Es100 Fm101 Md102 No103 Lr
AlkalimetallitMaa-alkalimetallitLantanoiditAktinoiditSiirtymäalkuaineetMuut metallitPuolimetallitMuut epämetallitHalogeenitJalokaasut
Luokka:Suprajohtavuus Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit