Superkonduktiiviset

Superkonduktiiviset materiaalit ovat sellaisia, joissa sähkövastus katoaa nollaksi ja magneettikenttä poistuu materiaalin sisäpuolelta Meissnerin ilmiön seurauksena, kun ne saavuttavat kriittisen lämpötilan Tc. Tämä mahdollistaa pysyvien sähkövirtojen ylläpitämisen ilman resistiivisiä häviöitä. Ensimmäinen havainto superjohtuvuudesta tehtiin vuonna 1911 elohopealla, kun sen resistanssi laski äkillisesti.

Perusteet ja mekanismit. Perinteiset alhaisen lämpötilan superjohtuvuudet selittyvät BCS-teoriassa (Bardeen, Cooper ja Schrieffer, 1957): elektronit muodostavat Cooper-pareja, jotka välittyvät kideverkostoon fononien kautta. Parit mahdollistavat energiahilan, jonka alapuolella resistanssi katoaa. Korkean Tc:n superjohtuvuudet, kuten cupraatit ja rautapohjaiset materiaalit, kertovat epätyypillisistä mekanismeista, eikä kaikkia pairing-takeita täysin ymmärretä.

Luokitus. Superjohtuvuudet jaetaan yleisesti kahteen päätyyppiin: Type I - magneettikenttä poistuu kokonaan, mutta vain matalilla kentillä; Type II - magneettikenttä tunkeutuu vorteksien muodossa ja kestää suurempia kenttiä; käytännön sovelluksissa käytetään pääasiassa Type II -materiaaleja.

Esimerkit materiaaleista. Yleisimmät alhaisen lämpötilan superjohtuvuudet ovat elohopea ja niobium sekä MgB2 (Tc noin 39 K). Korkean Tc:n aineita ovat cupraatit (esim. YBa2Cu3O7−δ) ja rautapohjaiset superjohtuvuudet. Viime vuosina on saavutettu korkeita Tc-arvoja myös vedyn kaltaisissa epätyypillisissä sulkeumissa, mutta suurilla paineilla.

Sovellukset. Superkonduktio mahdollistaa MRI-laitteet, maglev-junat, hiukkaskiihdyttimet sekä sähköverkkojen tehokkaammat ja kompaktimmat ratkaisut. Haasteita ovat cryogeniset vaatimukset, kustannukset, materialeiden valmistuksen monimutkaisuus sekä herkkyys magneettikentille ja mekaaniselle rasitukselle.