Supergeleiders en supergeleidende materialen zijn metalen, keramische materialen, organische materialen of zwaar gedoteerde halfgeleiders die elektriciteit geleiden zonder weerstand.
Supergeleidende materialen kunnen elektronen transporteren zonder weerstand, en geven dus geen warmte, geluid of andere energievormen af. Supergeleiding treedt op bij de kritische temperatuur (Tc) van een bepaald materiaal. Naarmate de temperatuur daalt, neemt de weerstand van een supergeleidend materiaal geleidelijk af, totdat het de kritische temperatuur bereikt. Op dit punt daalt de weerstand, vaak tot nul, zoals te zien is in de grafiek rechts.
Op dit moment moeten de meeste materialen een extreem lage energietoestand bereiken via lage temperaturen en/of hoge drukken om supergeleiding te bereiken. Hoewel onderzoekssupergeleiders die bij hogere temperaturen effectief zijn in ontwikkeling zijn, is supergeleiding meestal alleen mogelijk met dure, inefficiënte koelprocessen.
Supergeleiders vertonen unieke kenmerken, afgezien van hun vermogen om stroom perfect te geleiden. Bijvoorbeeld, vele verdrijven magnetische velden tijdens de overgang naar de supergeleidende toestand. Dit is het gevolg van het Meissner-effect, waarbij supergeleidende materialen elektrische stromen opwekken nabij hun oppervlak bij Tc, waardoor de velden in het materiaal zelf worden opgeheven. Een stilstaande magneet op een supergeleider demonstreert dit effect: wanneer de supergeleider afkoelt tot zijn kritische temperatuur, zorgt de verdrijving van de magnetische flux uit de geleider ervoor dat de magneet boven het materiaal zweeft.
Het Meissner-effect: de magnetische flux van een supergeleider boven (links) en onder de kritische temperatuur.
Principes
Supergeleiderprincipes kunnen worden verklaard door verschillende formules te bestuderen. Ten eerste kan het ontbreken van weerstand in een stroomvoerende supergeleider worden geïllustreerd met de wet van Ohm, R=V/I, waarbij R weerstand is, V spanning, en I stroom. Aangezien supergeleidende materialen stroom dragen zonder toegepaste spanning, is R=0. Supergeleiding gaat ook niet gepaard met vermogensverlies, aangezien vermogen is gedefinieerd als P=I2R; aangezien R nul is in een supergeleidend materiaal, is vermogensverlies nul.
Deze formules, samen met andere supergeleiderprincipes, worden uitgelegd in de educatieve video hieronder.
Video credit: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Types
Supergeleiders worden ingedeeld in Type I en Type II materialen.
Type I materialen vertonen ten minste enige geleidbaarheid bij omgevingstemperatuur en omvatten meestal zuivere metalen en metalloïden. Zij hebben lage kritische temperaturen, gewoonlijk tussen 0 en 10 K (respectievelijk -273°C en -263°C). Zoals hierboven besproken, ervaart dit type een plotselinge afname van de weerstand, alsmede de volledige verdrijving van magnetische velden (perfect diamagnetisch) bij kritieke temperatuur.
Metalen van type I bereiken supergeleiding door het vertragen van moleculaire activiteit via lage temperaturen. Volgens de BCS-theorie creëert dit een omgeving die bevorderlijk is voor Cooper-pairing, zodat elektronenparen in staat zijn moleculaire hindernissen te overwinnen, wat leidt tot vrije elektronenstroom zonder toegepaste spanning.
Koper, zilver en goud zijn drie van de beste metaalgeleiders, maar zijn niet supergeleidend. Dit is te wijten aan hun face-centered cubic (FCC) eenheidscelroosterstructuren, die zo dicht opeengepakt zijn dat de voor supergeleiding essentiële roostertrillingen bij lage temperatuur er niet in slagen vrije elektronen in Kuiperparen samen te brengen. Hoewel sommige FCC-metalen zoals lood in staat zijn tot supergeleiding, is dit te wijten aan externe factoren zoals de lage elasticiteitsmodulus van lood.
De meeste Type II materialen zijn metaalverbindingen of legeringen, hoewel elementair vanadium, technetium, en niobium ook binnen deze groep vallen. Zij zijn in staat tot supergeleiding bij veel hogere kritische temperaturen. Zo leverde het testen in 2015 van Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ een Tc op van 400 K (+129°C), meer dan 100°C boven de omgevingstemperatuur, hoewel meer courante Type II-materialen kritische temperaturen hebben in het bereik van 10-130 K. Sinds 2015 is er geen wetenschappelijke consensus over de reden voor deze hogere kritische temperaturen.
Type II-materialen nemen ook een gemengde toestand aan, die in contrast staat met de kelpende weerstand bij Tc voor Type I-materialen, wanneer ze hun kritische temperatuur naderen. Gemengde toestanden worden veroorzaakt door het feit dat Type II supergeleiders nooit volledig magnetische velden verdrijven, zodat microscopische supergeleidende “strepen” op het materiaal te zien zijn.
Andere classificaties
Classificatie volgens de bovenstaande typen gebeurt theoretisch aan de hand van het magnetisch veldgedrag. Type I materialen hebben een enkele kritische veldtemperatuur waarboven de supergeleiding volledig ophoudt, terwijl Type II materialen twee kritische veldpunten hebben waartussen een gemengde toestand kan bestaan. Een andere methode om supergeleiders in te delen is op basis van temperatuur, waarbij “lage temperatuur”-materialen onder vloeibaar-nitrogen-gekoelde supergeleiding vallen en “hoge temperatuur”-materialen erboven. Materialen met een lage temperatuur kunnen worden gekoeld met behulp van vloeibare gassen zoals neon, waterstof en helium.
Een uitgebreide lijst van kritische temperaturen voor supergeleidende materialen kan hier worden gevonden voor Type I en hier voor Type II.
De onderstaande grafiek illustreert dit onderscheid, evenals een tijdlijn die de geschiedenis van de ontdekkingen van kritische temperaturen laat zien. Materialen waarvan de kritische temperatuur boven het kookpunt van vloeibare stikstof (ongeveer 77 K) ligt, worden hoge-temperatuurmaterialen genoemd. De dramatische stijging van Tc in het midden van de grafiek is het resultaat van de ontdekking van supergeleidende cupraten en perovskieten met hoge Tc in 1986 en 1987.
Productvormfactoren
Leveranciers van supergeleiders en supergeleidende materialen bieden producten aan in verschillende vormen, waarvan sommige hieronder worden opgesomd.
Aarde supergeleidende materialen omvatten chemische verbindingen in de vorm van poeders of kristallen. Supergeleidend poeder wordt verwerkt in de fabricage van efficiëntere brandstofcellen, gasscheidingsmembranen en lithium-ionbatterijen.
Magneten worden geproduceerd voor MAGLEV- en MRI-toepassingen, zoals hieronder besproken, evenals microscopie en NMR/EPR-spectroscopie.
Draad en kabel worden gebruikt voor supergeleidende stroomtransmissie en wetenschappelijk onderzoek in ultrahoge magnetische velden.
Fabrikanten van supergeleiders kunnen zich specialiseren in de vooruitgang van een bepaalde supergeleidende verbinding, zoals formules op basis van niobium of magnesiumdiboride (MgB2).
Toepassingen
Supergeleiders zijn niet op grote commerciële schaal beschikbaar vanwege de uitgebreide koeling die nodig is om supergeleidende toestanden te bereiken. Zij worden gebruikt in enkele gespecialiseerde toepassingen, waaronder:
MAGLEV-treinen gebruiken supergeleidende magneten om de wrijving tussen de trein en de rails praktisch te elimineren. Het gebruik van conventionele elektromagneten zou enorme hoeveelheden energie verspillen door warmteverlies en het gebruik van een logge magneet noodzakelijk maken, terwijl supergeleiders resulteren in superieure efficiëntie en kleinere magneten.
Magnetic resonance imaging (MRI) maakt gebruik van door supergeleiders opgewekte magnetische velden om te interageren met waterstofatomen en vetmoleculen in het menselijk lichaam. Deze atomen en moleculen geven dan energie af die wordt gedetecteerd en tot een grafisch beeld gevormd. MRI is een veel gebruikte radiografische methode voor medische diagnose of staging van ziekten zoals kanker.
Elektrische generatoren gebouwd met supergeleidende draad hebben in experimentele tests een rendement van 99% bereikt, maar moeten nog commercieel worden gebouwd.
Elektrische stroomopwekking met behulp van supergeleidende kabels en transformatoren is experimenteel getest en gedemonstreerd.
Standaarden
Verschillende gepubliceerde normen en handboeken behandelen supergeleiding en supergeleiders. Voorbeelden zijn:
- BS EN 61788-Supergeleiding (series)
- IET-Elektrodynamische theorie van supergeleiders
- Wiley-Hoge temperatuur halfgeleider bulkmaterialen