Suprajohteet
Suprajohtavuus Antti Leino & Matias Knuuti Johdanto • Suprajohtavuus tarkoittaa tietyillä aineilla esiintyvää ominaisuutta, jonka takia aine menettää resistiivisyytensä alittaessaan aineelle ominaisen kriittisen lämpötilan Tc • Kriittisen lämpötilan alapuolella aineilla havaitaan myös Meissnerin ilmiö • Suprajohteet jaetaan tyypin I- ja tyypin II suprajohteisiin niiden ominaisuuksien mukaan Historiaa • Suprajohtavuuden löysi hollantilainen Heike Kamerlingh Onnes vuonna 1911 tutkiessaan nesteheliumilla jäähdytetyn elohopean ominaisuuksia. • Walther Meissner ja Robert Ochsenfeld löysivät Meissnerin ilmiön vuonna 1933 • Londonin veljekset kirjoittivat vuonna 1935 Londonin yhtälöt, joilla voidaan selittää mm. Meissnerin ilmiö • John Bardeen, Leon Neil Cooper ja John Robert Schrieffer esittivät vuonna 1957 BCS-teorian, ensimmäisen selityksen ressistenssin häviämiselle matalissa lämpötiloissa suprajohteissa ja muille siihen liittyville ilmiöille. • Ensimmäinen korkean lämpötilan suprajohde löydettiin 1986 • Nobelin palkintoja suprajohteisiin liittyen on annettu viidesti Tyypin I suprajohteet • Vanhimmat ja yleisimmät suprajohteet • Omaavat hyvin matalan kriittisen lämpötilan (Tc<30K) • Monesti puhtaita alkuaineita • Eivät kykene päästämään magneettikenttää lävitseen menettämättä suprajohtavuuttaan Suprajohtavat alkuaineet Meissnerin ilmiö • Kun aine jäähdytetään suprajohtavaan tilaan, magneettikenttä häviää siitä. Tätä kutsutaan Meissnerin ( täsmällisemmin MeissnerinOchsenfieldin) ilmiöksi. • Meissnerin ilmiö johtuu kappaleen pinnalla kappaleen pintaan muodostuvista voimakkaista ja vaimenemattomista sähkövirroista – nämä sähkövirrat luovat ulkoiselle kentälle vastakkaisen magneettikentän, kumoten tämän • Meissnerin ilmiö katoaa, kun magneettikentän voimakkuus kasvaa tarpeeksi ja ylittää kriittisen magneettikentän arvon (Hc1) • Meissnerin ilmiön takia suprajohteet hylkivät magneetteja Suprajuoksevuus • Suprajuoksevuus on suprajohtavuuden kanssa analoginen ilmiö. • Suprajuoksevassa tilassa olevilla aineilla ei ole lainkaan viskositeettia • Suprajuoksevia nesteitä tunnetaan kaksi: 4He ja 3He • Suprajuoksevia tiloja havaitaan myös alkalimetallien kaasuissa, esimerkiksi 87Rb, 7Li, 23Na • Suprajuoksevuuden saavuttaakseen hiukkasten spinin pitää olla kokonaisluku, jolloin ne käyttäytyvät kuin bosonit Tyypin II suprajohteet • Tyypin II, eli korkean lämpötilan, suprajohteet ovat aineita, jotka kykenevät päästämään magneettikentän lävitseen menettämättä suprajohtavuuttaan, toisin kuin tyypin I suprajohteet Soveltuvat tyyppiä I paremmin esim. sähkömagneetteihin • Kun magneettikentän voimakkuus ylittää kriittisen arvon Hc1, aine siirtyy sekatilaan, jossa se päästää magneettikentän läpi eräänlaisina yhden vuokvantin suuruisina pyörrevirtoina, säilyttäen suprajohtavuutensa • Suurin osa tyypin II suprajohteista on keraameja, joista tällä hetkellä korkeimmassa lämpötilassa(133K) toimiva on Hg0.8Pb0.2Ba2Ca2Cu3Ox • 164K lämpötilaankin on päästy, mutta vain 30GPa paineessa • BCS-teoria ei tarjoa selitystä tyypin II suprajohteille • Tyypin II suprajohteet mahdollistavat kvanttilevitaation BCS-teoria • Vaikka elektronien välillä vallitseekin sähköinen poistovoima, positiivisten ionien välityksellä ne kuitenkin sitoutuvat toisiinsa määräetäisyydelle muodostaen Cooperin pareja • Nämä parit käyttäytyvät monessa suhteessa kuin yksi hiukkanen niin kauan, kuin kytkentä säilyy • Koska Cooperin parin elektronien yhteenlaskettu spin on kokonaisluku, ne käyttäytyvät bosonien tavoin (bosoneilla voi olla keskenään sama aaltofunktio), eivätkä siten omaa resistanssia • Cooperin parin purkamiseen tarvitaan energiaa, joka saadaan tavallisesti hiukkasten lämpövärähtelyistä, mutta tarpeeksi alhaisissa lämpötiloissa energiaa ei ole riittävästi Kvanttilevitaatio • Kvanttilevitaatio (suprajohtava magneettinen levitaatio, quantum locking) perustuu tyypin II suprajohteiden ominaisuuteen flux pinning (vuolukittautuminen) • Suprajohde päästää osan magneettikentästä lävitseen, ja nämä magneettikentän kvantit lukitsevat suprajohteen paikalleen. Suprajohteen asentoa voidaan kuitenkin mekaanisesti muunnella kuten videolla käy ilmi • Toisin kuin Meissnerin ilmiössä, kvanttilevitoiva suprajohde pyrkii säilyttämään asentonsa kaikkiin suuntiin liikutettaessa Sovelluksia • Jännitehäviöttömät johtimet =>Voimakkaat sähkömagneetit • Hiukkaskiihdyttimet (esim. CERN) • Positiivisesti varautuneen plasman kontrollointi (fuusioenergia) • Suprajohteiden välisten kytkentöjen heikon suprajohtavuuden hyödyntäminen (Josephsonin ilmiö) • Erittäin heikkojen magneettikenttien mittaaminen • SQUID (superconducting quantum interference device) kykenee havaitsemaan ja mittaamaan 5×10 -18 teslan magneettikenttiä (tyypillinen jääkaappimagneetti tuottaa 10−2 teslan magneettikentän) Tulevaisuudennäkymiä • Suprajohteiden käyttöä ollaan laajentamassa yhä useampiin käyttökohteisiinmoninaisiin käyttötarkoituksiin kuten esimerkiksi Maglev-juniin (Magnetic levitation) • Huoneenlämmössä toimivan suprajohteen kehittäminen mahdollistaisi muun muassa suprajohteiden käyttämisen johtimina kaikissa sähkökytkennöissä, jolloin energiaa säästyisi. • Lähes 300 kelvinissä suprajohtavan aineen kehittämistä saisikin varmasti Nobelin!
© Copyright 2024