Suprajohde

Suprajohde tarkoittaa sellaista ainetta, jonka resistiivisyys katoaa kun lämpötila laskee aineelle ominaisen kriittisen lämpötilan alapuolelle. Tällöin havaitaan Meissnerin ilmiö. Siten suprajohteessa sähkövirta etenee häviöttömästi ja ulkoinen magneettivuo ei pysty tunkeutumaan materiaaliin. Sähkövirran tiheys ja magneettivuon tiheys eivät saa ylittää materiaalille ominaista arvoa tai suprajohtavuus katoaa.

Tavallinen ja suprajohtava 12 500 ampeerin kaapeli CERN:stä

Suprajohtavuuden löysi hollantilainen Heike Kamerlingh Onnes vuonna 1911 tutkiessaan nesteheliumilla jäähdytetyn elohopean sähkönjohtavuutta. Kokeessa elohopean ominaisvastus katosi äkisti 4,2 K:n lämpötilassa.

Usein esitetyn hypoteesin mukaan kaikki metalliset alkuaineet muuttuvat joko ferromagneettisiksi tai suprajohteiksi kun lämpötilaa viedään kohti absoluuttista nollapistettä eli kohti 0 K:n lämpötilaa eli −273,15 °C:a. Näin on havaittu useimpien alkuaineiden kohdalla – kummankaanlaista järjestynyttä olomuotoa ei vielä ole löydetty esimerkiksi kuparista.

Suprajohteet voidaan jakaa tyypin I ja tyypin II suprajohteisiin. Tyypin I supra­johteet, jotka yleensä ovat puhtaita alkuaineita, menettävät magneetti­vuon tiheyden kasvaessa supra­johtavuutensa yhtäkkiä, yleensä jo melko heikossa magneetti­kentässä, tyypin II supra­johteet, jotka ovat seoksia, sitä vastoin vähitellen.^[1] Metalli­seoksilla myös lämpötila, jonka ala­puolella ne ovat supra­johtavia, on usein korkeampi kuin niissä esiintyvillä puhtailla alkuaineilla.

Meissnerin ilmiö

Pääartikkeli: Meissnerin ilmiö

Meissnerin ilmiö.

Aineessa, jonka sähkönjohtavuus on rajaton, ei voi olla sähkökenttää, muutoin sähkövirta kasvaisi äärettömän suureksi. Samasta syystä siellä ei voi olla myöskään ajallisesti muuttuvaa magneettikenttää, sillä se indusoisi sinne sähkökentän. Jos supra­johde­kappale kuitenkin sijoitetaan ulkoiseen magneetti­kenttään, kenttä ei tunkeudu kappaleen sisään ennen kuin se kasvaa niin suureksi, että suprajohtavuus häviää. Tällöin kappale magnetoituu. Aikoinaan oletettiin, että jos ulkoista magneetti­kenttää tämän jälkeen jälleen heikennetään, kunnes kappale tulee jälleen supra­johtavaksi, se myös jäisi pysyvästi magneettiseksi. Vuonna 1933 Meissner ja Ochsenfeld kuitenkin osoittivat kokeellisesti, että näin ei tapahdu, vaan supra­johtavassa kappaleessa magneetti­kenttä palautuu tämän jälkeenkin nollaksi. Suprajohteet ovat siis täydellisiä diamagneetteja. Tätä ilmiötä sanotaan Meissnerin ilmiöksi.^[2]

Magneetti hylkii diamagneettisia aineita, yleensä tosin niin heikosti, että ilmiö on vaikea havaita. Suprajohteiden diamagneettisuus on kuitenkin niin voimakasta, että ilmiö aiheuttaa supra­johtavuuden demonstroinnissa usein esitetyn magneetin leijumisen supra­johteen yläpuolella.

Jos suprajohdekappale kuitenkin on renkaan muotoinen, siinä voi olla staattinen magneetti­kenttä. Se on kuitenkin kvantittunut niin, että sen magneettivuo renkaan poikki­pinnan yli on jokin lausekkeen h/2e monikerta, missä h on Planckin vakio ja e alkeisvaraus.^[3]

Kvanttiteoreettinen selitys

Pääartikkeli: BCS-teoria

Suprajohtavuus voidaan selittää kvantti­mekaniikan avulla. Vuonna 1957 Bardeen, Cooper ja Schrieffer keksivät teorian, joka selittää niin kutsuttujen perinteisten suprajohteiden toimintaperiaatteen. Tämän BCS-teorian mukaan suprajohtavuus johtuu siitä, että kiteessä elektroni vetää puoleensa lähellä olevia positiivisia ioneja, jotka taas vuorostaan vetävät puoleensa toisia lähellä olevia elektroneja. Täten vaikka elektronien välillä vallitseekin sähköinen poistovoima, positiivisten ionien välityksellä ne kuitenkin sitoutuvat toisiinsa määräetäisyydelle muodostaen Cooperin pareja, jotka monessa suhteessa käyttäytyvät kuin yksi hiukkanen niin kauan, kuin kytkentä säilyy. Koska lisäksi Cooperin parissa olevien elektronien yhteen­laskettu spin on kokonaisluku, ne käyttäytyvät bosonien tavoin, minkä vuoksi useammallakin Cooperin parilla voi olla sama aaltofunktio. Elektronien välisen kytkennän purkaminen vaatii energiaa. Tavallissa lämpö­tiloissa tämä energia saadaan kiteen lämpö­värähtelyistä, mutta hyvin alhaisissa lämpö­tiloissa energiaa ei ole tähän riittävästi. Koska Cooperin pari ei hajoa, elektroni ei voi törmätä mihinkään, minkä vuoksi aineessa ei myöskään ole resistanssia.

Josephsonin ilmiö

Pääartikkeli: Josephsonin ilmiö

Vuonna 1962 Brian Josephson laati teorian, jonka mukaan kahden suprajohteen välissä olevan ohuen eristekerroksen läpi voi kulkea sähkövirta suprajohtavasti. Tähän Josephsonin ilmiöön perustuu myöhemmin kehitetty hyvin heikkojen magneettikenttien mittauksiin soveltuva SQUID-laite (engl. Superconducting Quantum Interference Device).

Suprajohtavia seoksia

Yleisin perinteinen suprajohde niobium-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.

Korkean lämpötilan suprajohteet

Joulukuussa 1985 löydettiin ensimmäinen korkean lämpötilan suprajohde, Ba-La-Cu-O alkuaineiden yhdiste. Sen kriittinen lämpötila on 35 K.^[4] Korkean lämpötilan suprajohteiden toimintaa ei osattu varmuudella selittää BCS-teorialla. Ensimmäisestä keraamisesta korkean lämpötilan suprajohteesta kehitettiin edelleen toinen keraaminen suprajohde, nimeltään YBCO (yttrium-barium-kuparioksidi, YBa₂Cu₃O₇), jonka kriittinen lämpötila on 92 K. Suhteellisen korkea kriittinen lämpötila mahdollistaa aineen käytön suprajohteena nestetypellä jäähdytettynä. Nestetyppi on huomattavan paljon helpompaa käsitellä ja halvempaa kuin esimerkiksi nestemäinen helium, jolla päästään erittäin mataliin lämpötiloihin. Toisaalta viime vuosina lämpöpumppuun perustuvat kryojäähdyttimet ovat muutenkin helpottaneet jäähdytystä.

Magnesiumdiboridin kriittinen lämpötila on 39 K. Sen etuna moniin muihin suprajohteisiin verrattuna on halpa hinta ja metallisena se on helposti muokattava ja siitä voidaan valmistaa pitkiäkin kaapeleita edullisemmin kuin muista suprajohtavista materiaaleista.

Vuoteen 2007 mennessä korkein saavutettu kriittinen lämpötila on 133 K, johon päästiin vuonna 1994 Hg_0.8Pb_0.2Ba₂Ca₂Cu₃O_x-yhdisteellä. Samana vuonna päästiin myös transitiolämpötilaan 164 K, mutta se oli 30 GPa:n paineessa. ^[5]

Suprajohtavat sähkömagneetit

Käytännöllinen maksimi magneettikenttä, johon NbTi-magneeteilla päästään on 8 teslaa.^[6] NbSn-magneeteilla ennätys on 16,1 teslaa.^[6] Esteenä NbSn:n käytön yleistymiselle on materiaalin hankala työstettävyys. Suprajohtavan muodon saavuttamiseksi se täytyy lämpökäsitellä 650 °C:ssa, jonka jälkeen siitä tulee hyvin hauras.^[6]

Muita suprajohteita

Rikkivety saadaan suprajohtavaksi noin −70 °C:n lämpötilassa mutta siihen vaaditaan yli 1,5 miljoonaa kertaa ilmakehän paine.^[7]

Sovellukset

Ylivoimainen enemmistö kaupallisista ja tieteellisistä sovelluksista hyödyntää suprajohteita voimakkaan magneettikentän aikaansaamiseen. Suprajohteeseen perustuva sähkömagneetti on niissä tapauksissa usein vastaavaa kestomagneettia kevyempi, vaikka otetaan huomioon jäähdytyslaitteisto. On selvää, ettei sellaisissa sovelluksissa voida 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. Ne 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 8 000 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 metriä halkaisijaltaan oleviin keloihin tarvitaan yhteensä 700 tonnia.

Uusien suprajohteiden kehittely on aikaavievää. Huoneenlämmössä toimiva suprajohde olisi tieteellinen läpimurto.

Suprajohtavat alkuaineet

Alla olevassa taulukossa punaisella merkityt alkuaineet tulevat suprajohtaviksi niiden kemiallisen merkin alle merkityssä lämpötilassa.^[8]

Ryhmä →

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

(I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII)

↓ Jakso

1

1 H

2 He

2

3 Li[9] 0,4 mK

4 Be 0,0 K

5 B]

6 C

7 N

8 O

9 F

10 Ne

3

11 Na

12 Mg

13 Al

14 Si

15 P

16 S

17 Cl

18 Ar

4

19 K

20 Ca

21 Sc

22 Ti 0,4 K

23 V 5,4 K

24 Cr

25 Mn

26 Fe

27 Co

28 Ni

29 Cu

30 Zn 0,9 K

31 Ga 1,1 K

32 Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

5

37 Rb

38 Sr

39 Y

40 Zr 0,6 K

41 Nb 9,3 K

42 Mo 0,9 K

43 Tc 7,8 K

44 Ru 0,5 K

45 Rh 0,0 K

46 Pd

47 Ag

48 Cd 0,5 K

49 In 3,4 K

50 Sn 3,7 K

51 Sb

52 Te

53 I

54 Xe

6

55 Cs

56 Ba

*

72 Hf 0,1 K

73 Ta 4,5 K

74 W 0,0 K

75 Re 1,7 K

76 Os 0,4 K

77 Ir 0,1 K

78 Pt

79 Au

80 Hg 4,2 K

81 Tl 3,4 K

82 Pb 7,2 K

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

7

87  Fr

88 Ra

**

104 Rf

105 Db

106 Sg

107 Bh

108 Hs

109 Mt

110 Ds

111 Rg

112 Cn

113 Nh

114 Fl

115 Mc

116 Lv

117 Ts

118 Og

* Lantanoidit

57 La 6,0 K

58 Ce

59 Pr

60 Nd

61 Pm

62 Sm

63 Eu

64 Gd 7,1 K

65 Tb

66 Dy

67 Ho

68 Er

69 Tm

70 Yb

71 Lu

** Aktinoidit

89 Ac

90 Th[10] 1,368 K

91 Pa[10] 1,4 K

92 U[10] 0,68 K

93 Np

94 Pu

95 Am[10] 0,625 K

96 Cm

97 Bk

98 Cf

99 Es

100 Fm

101 Md

102 No

103 Lr

Alkalimetallit	Maa-alkalimetallit	Lantanoidit	Aktinoidit	Siirtymäalkuaineet
Muut metallit	Puolimetallit	Muut epämetallit	Halogeenit	Jalokaasut

Katso myös

• Andrejevin heijastus

Lähteet

1. H. E. Hall: Solid State Physics, s. 274. John Wiley & Sons Ltd, 1979. ISBN 0-471-34281-5
2. Hall, s. 264
3. Hall, s. 271–272
4. Benson, Harris: University Physics, s. 902. (Revised Edition) Wiley, 1996. ISBN 978-0-4711-5264-4 (englanniksi)
5. Poole Jr, CP et al.: "Superconductivity", sivu 24. Toinen painos, Academic Press, 2007
6. Test magnet reaches 13.5 tesla – a new CERN record home.web.cern.ch.
7. Uusi suprajohde – mullistavan lämmin ja hyvin epäkäytännöllinen | Tiedetuubi www.tiedetuubi.fi. Viitattu 19.8.2015.
8. James William Rohlf: Modern Physics from α to Z⁰, John Wiley 1994, ISBN 0-471-57270-5
9. J. Tuoriniemi, Kirsi Juntunen-Nurmilaukas, Johanna Uusvuori, Elias Pentti, Anssi Salmela ja Alexander Sebedash, Nature 447, 187–189 (2007).
10. Nagy, Sandor: Radiochemistry and Nuclear Chemistry – Volume II, s. 132. EOLSS Publications, 2009. ISBN 978-0-7506-3365-9 Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)

Aiheesta muualla

• Thuneberg, Erkki: Suprajohtavuus (pdf) (Suprajohtavuuden kurssin luentomoniste) users.aalto.fi. Oulun yliopisto.