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!