Suprajohde
Wikipedia
Suprajohtavuus tarkoittaa monilla aineilla olevaa ominaisuutta, jossa riittävän alhaisessa lämpötilassa aineen ominaisvastus katoaa kokonaan, eli sähkövirta etenee häviöttömästi. Lämpötilan pitää olla alle kullekin suprajohteelle ominaisen kriittisen lämpötilan Tc. Myöskään sähkövirta ja magneettikenttä eivät saa ylittää kullekin aineelle ominaista arvoa tai suprajohtavuus katoaa.
Usein esitetyn hypoteesin mukaan kaikki metalliset alkuaineet muuttuvat joko magneettisiksi tai suprajohteiksi kun lämpötilaa viedään kohti absoluuttista nollapistettä, eli kohti 0 kelvinin lämpötilaa eli noin −273,15 celsiusastetta. Näin on havaittu useimpien alkuaineiden kohdalla – kummankaanlaista järjestynyttä olomuotoa ei vielä ole löydetty esimerkiksi kuparista.
On myös väitetty että neutronitähden ydin olisi suprajohteinen.
[muokkaa] Historia
Suprajohtavuuden löysi hollantilainen Heike Kamerlingh Onnes vuonna 1911 tutkiessaan nesteheliumilla jäähdytetyn elohopean sähkönjohtavuutta. Kokeessa elohopean ominaisvastus katosi äkisti 4,2 K 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 niobi-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 Josephson-ilmiöön perustuu myöhemmin kehitetty hyvin heikkojen magneettikenttien mittauksiin soveltuva SQUID-laite (Superconducting Quantum Interference Device).
Vuonna 1986 löydettiin ensimmäinen korkean lämpötilan suprajohde, jonka kriittinen lämpötila on 39 K. Tämä ei ole enää sellainen perinteinen suprajohde, jonka toiminnan voisi varmuudella selittää BCS-teorialla. Tästä keraamisesta aineesta kehitettiin edelleen toinen keraaminen suprajohde, nimeltään YBCO (Yttrium barium copper oxide), jonka kriittinen lämpötila on 92 K. Tämä mahdollistaa sen jäähdytyksen nestetypellä, mikä on huomattava helpotus verrattuna aiempiin suprajohteisiin. Nestetyppi on paljon halvempaa kuin esimerkiksi nestehelium, ja myös sen käsittely on helpompaa. Toisaalta viime vuosina lämpöpumppuun perustuvat kryojäähdyttimet ovat muutenkin helpottaneet jäähdytystä.
[muokkaa] Sovellukset
Ylivoimainen enemmistö kaupallisista ja tieteellisistä sovelluksista hyödyntää suprajohteita voimakkaan magneettikentän aikaansaamiseen. Suprajohteeseen perustuva sähkömagneetti on näissä tapauksissa usein vastaavaa kestomagneettia kevyempi, vaikka otetaan huomioon jäähdytyslaitteisto. Lisäksi kovin voimakkaita magneettikenttiä ei edes pystytä saamaan aikaan muilla kuin suprajohteilla. On selvää, ettei tällaisissa sovelluksissa voi 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. Nämä 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. Tiedemiehet ovat saaneet kehitettyä suprajohteen, joka toimii noin −60 celsiusasteen lämpötilassa. Tieteen läpimurto olisi, mikäli saataisiin kehitettyä huoneenlämmössä toimiva suprajohde.
