Suprajohteet ja suprajohtavat materiaalit ovat metalleja, keraameja, orgaanisia materiaaleja tai voimakkaasti seostettuja puolijohteita, jotka johtavat sähköä ilman resistanssia.
Suprajohtavat materiaalit kykenevät kuljettamaan elektroneja ilman resistanssia, eivätkä siten luovuta sähköä lämpöä, ääntä tai muuta energiaa. Suprajohtavuus ilmenee tietyn materiaalin kriittisessä lämpötilassa (Tc). Lämpötilan laskiessa suprajohtavan materiaalin vastus vähitellen pienenee, kunnes se saavuttaa kriittisen lämpötilan. Tällöin resistanssi putoaa, usein nollaan, kuten oikealla olevasta kuvaajasta käy ilmi.
Suprajohtavuuden saavuttamiseksi useimpien materiaalien on nykyisin saavutettava erittäin matala energiatila matalien lämpötilojen ja/tai korkeiden paineiden avulla. Vaikka korkeammissa lämpötiloissa toimivia tutkimussuprajohteita on kehitteillä, suprajohtavuus on yleensä mahdollista vain kalliilla ja tehottomilla jäähdytysprosesseilla.
Suprajohteilla on muitakin ainutlaatuisia ominaisuuksia kuin kyky johtaa virtaa täydellisesti. Esimerkiksi monet niistä karkottavat magneettikenttiä siirtyessään suprajohtavaan tilaan. Tämä johtuu Meissner-ilmiöstä, jonka avulla suprajohtavat materiaalit synnyttävät sähkövirtoja lähelle pintaa Tc:ssä, jolloin ne kumoavat itse materiaalin sisällä olevat kentät. Paikallaan oleva magneetti suprajohteen päällä havainnollistaa tätä efektiä: kun suprajohde jäähtyy kriittisen lämpötilansa läpi, magneettivuon karkottaminen johtimesta saa magneetin leijumaan materiaalin yläpuolella.
Meissnerin efekti: suprajohteen magneettivuo kriittisen lämpötilan yläpuolella (vasemmalla) ja alapuolella.
PERIAATTEET
Suprajohteiden toimintaperiaatteet selitetään tarkastelemalla erilaisia kaavoja. Ensinnäkin resistanssin puutetta virtaa johtavassa suprajohteessa voidaan havainnollistaa Ohmin lailla R=V/I, jossa R on resistanssi, V on jännite ja I on virta. Koska suprajohtavat materiaalit johtavat virtaa ilman jännitettä, R=0. Suprajohtavuuteen ei myöskään liity tehohäviötä, koska teho määritellään kaavalla P=I2R; koska R on nolla suprajohtavassa materiaalissa, tehohäviö on nolla.
Näitä kaavoja sekä muita suprajohtavuuden periaatteita selitetään alla olevassa opetusvideossa.
Videon luotto: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Tyypit
Suprajohteet luokitellaan tyypin I ja tyypin II materiaaleihin.
Tyypin I materiaaleilla on ainakin jonkin verran johtavuutta ympäristön lämpötilassa, ja niihin kuuluvat enimmäkseen puhtaat metallit ja metalloidit. Niiden kriittiset lämpötilat ovat alhaiset, tyypillisesti 0 ja 10 K:n välillä (-273 °C ja -263 °C). Kuten edellä käsiteltiin, tämän tyypin materiaaleissa esiintyy äkillinen resistanssin lasku sekä magneettikenttien täydellinen häviäminen (täydellisesti diamagneettinen) kriittisessä lämpötilassa.
Tyypin I metallit saavuttavat suprajohtavuuden hidastamalla molekyylien toimintaa matalien lämpötilojen avulla. BCS-teorian mukaan tämä luo Cooperin parinmuodostukselle suotuisan ympäristön niin, että elektroniparit pystyvät voittamaan molekyylien esteet, mikä johtaa vapaaseen elektronivirtaan ilman sovellettua jännitettä.
Kupari, hopea ja kulta ovat kolme parasta metallijohdinta, mutta ne eivät ole suprajohtavia. Tämä johtuu niiden FCC (face-centered cubic) -yksikkösolujen ristikkorakenteista, jotka ovat niin tiiviisti pakattuja, että suprajohtavuuden kannalta olennaiset matalan lämpötilan ristikkovärähtelyt eivät pysty pakottamaan vapaita elektroneja Cooperin pareiksi. Vaikka jotkin FCC-metallit, kuten lyijy, kykenevät suprajohtavuuteen, tämä johtuu ulkoisista tekijöistä, kuten lyijyn alhaisesta kimmomoduulista.
Useimmat II-tyypin materiaalit ovat metalliyhdisteitä tai -seoksia, joskin myös alkuainevanadiini, teknetium ja niobium kuuluvat tähän ryhmään. Ne kykenevät suprajohtavuuteen paljon korkeammissa kriittisissä lämpötiloissa. Esimerkiksi vuonna 2015 testatun Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+:n Tc-arvo oli 400 K (+129 °C), mikä on yli 100 °C ympäristön lämpötilan yläpuolella, vaikka yleisempien II-tyypin materiaalien kriittiset lämpötilat ovat 10-130 K:n välillä. Vuoteen 2015 mennessä ei ole vallinnut tieteellistä yhteisymmärrystä näiden korkeampien kriittisten lämpötilojen syystä.
Tyypin II materiaalit ottavat kriittistä lämpötilaa lähestyttäessä myös sekatilan, joka on ristiriidassa tyypin I materiaalien Tc:n syöksyvastuksen kanssa. Sekatilat johtuvat siitä, että II-tyypin suprajohteet eivät koskaan karkota magneettikenttää kokonaan, jolloin materiaalissa näkyy mikroskooppisia suprajohtavia ”raitoja”.
Muut luokittelut
Luokittelu edellä mainittujen tyyppien mukaan tapahtuu teoreettisesti magneettikentän käyttäytymisen perusteella. Tyypin I materiaaleilla on yksi kriittinen kenttälämpötila, jonka yläpuolella suprajohtavuus lakkaa kokonaan, kun taas tyypin II materiaaleilla on kaksi kriittistä kenttäpistettä, joiden välillä voi olla sekatila. Toinen tapa luokitella suprajohteet on luokitella ne lämpötilan mukaan, jolloin ”matalan lämpötilan” materiaalit jäävät nestetyppijäähdytteisen suprajohtavuuden alapuolelle ja ”korkean lämpötilan” materiaalit sen yläpuolelle. Matalalämpöisiä materiaaleja voidaan jäähdyttää nestemäisillä kaasuilla, kuten neonilla, vedyllä ja heliumilla.
Kattava luettelo suprajohtavien materiaalien kriittisistä lämpötiloista löytyy täältä tyypin I osalta ja täältä tyypin II osalta.
Oheinen kaavio havainnollistaa tätä jaottelua sekä aikajana kriittisten lämpötilojen löytöjen historiasta. Materiaaleja, joiden kriittinen lämpötila on yli nestemäisen typen kiehumispisteen (noin 77 K), kutsutaan korkean lämpötilan materiaaleiksi. Kuvaajan keskellä näkyvä Tc:n dramaattinen nousu on seurausta suprajohtavien kupraattien ja perovskiittien, joilla on korkea Tc, löytymisestä vuosina 1986 ja 1987.
Tuotemuototekijät
Suprajohteiden ja suprajohtavien materiaalien toimittajat tarjoavat tuotteita useissa eri muodoissa, joista osa on lueteltu alla.
Raaka suprajohtavia materiaaleja ovat kemialliset yhdisteet jauheina tai kiteinä. Suprajohtavaa jauhetta käytetään tehokkaampien polttokennojen, kaasunerotuskalvojen ja litiumioniakkujen valmistuksessa.
Magneetteja valmistetaan MAGLEV- ja magneettikuvaussovelluksiin, joita käsitellään jäljempänä, sekä mikroskopiaan ja NMR/EPR-spektroskopiaan.
Lankoja ja kaapeleita käytetään suprajohtavassa sähkönsiirrossa ja tieteellisessä tutkimuksessa erittäin korkeissa magneettikentissä.
Suprajohteiden valmistajat voivat erikoistua tietyn suprajohtavan yhdisteen, kuten niobipohjaisten kaavojen tai magnesiumdiboridin (MgB2), edistämiseen.
Sovellukset
Suprajohteita ei ole saatavissa laajassa kaupallisessa mittakaavassa suprajohtaviin tiloihin pääsemiseksi tarvittavan laajan jäähdytyksen vuoksi. Ne ovat yleisiä muutamissa erikoissovelluksissa, kuten:
MAGLEV-junat käyttävät suprajohtavia magneetteja poistamaan käytännössä kitkan junan ja raiteiden väliltä. Perinteisten sähkömagneettien käyttö tuhlaisi valtavia määriä energiaa lämpöhäviöiden kautta ja edellyttäisi tilaa vievän magneetin käyttöä, kun taas suprajohteet johtavat ylivoimaiseen hyötysuhteeseen ja pienempiin magneetteihin.
Magneettinen resonanssikuvaus (MRI) käyttää suprajohteiden synnyttämiä magneettikenttiä vuorovaikutuksessa vetyatomien ja rasvamolekyylien kanssa ihmiskehossa. Nämä atomit ja molekyylit vapauttavat sitten energiaa, joka havaitaan ja muodostetaan graafiseksi kuvaksi. Magneettikuvaus on laajalti käytetty radiografiamenetelmä lääketieteellisessä diagnostiikassa tai sairauksien, kuten syövän, vaiheistuksessa.
Suprajohtavalla johdolla rakennetut sähkögeneraattorit ovat saavuttaneet 99 %:n hyötysuhteen kokeellisissa testeissä, mutta niitä ei ole vielä rakennettu kaupallisesti.
Sähkön tuotantoa suprajohtavilla kaapeleilla ja muuntajilla on testattu ja demonstroitu kokeellisessa mielessä.
Norminormit
Monissa julkaistuissa standardeissa ja käsikirjoissa käsitellään suprajohtavuutta ja suprajohteita. Esimerkkejä ovat:
- BS EN 61788-Suprajohtavuus (sarja)
- IET-Electrodynamic theory of superconductors
- Wiley-High temperature semiconductor bulk materials
.