Suprajohtavuus

Suprajohtavuus on materiaali-ilmiö, jossa aine johtaa sähkövirtaa ilman resistanssia ja samalla hylkii magneettikenttiä Meissnerin ilmiön seurauksena, kun sen lämpötila laskee alle kriittisen Tc-arvon. Tämän tilan saavuttaminen merkitsee sekä nollavirrasta että magneettikenttien täydellisen tunkeutumisen estämisestä materiaalin sisään. Yleisesti suprajohtavuuden ilmiö ilmeni ensin 1911, ja sen teoreettinen perusta rakennettiin myöhemmin BCS-teorian (1957) muodossa Cooper-pareihin perustuvaksi kvanttiefysiikaksi.

Suprajohtavuuden materiaalit ja ominaisuudet jaetaan konventionaalisiin ja epäkonventionaalisiin ryhmiin. Konventionaaliset suprajohtajat ovat pääosin alhaisten lämpötilojen materiaaleja, kuten metalleja ja niiden liitoksia, joille Tc on alle noin 30 kelvin. Esimerkkejä käytännön sovelluksissa ovat niobium-titaani (NbTi) ja niobium-tina (Nb3Sn). Epäkonventionaaliset, kuten cuprate- ja rauta- (iron-based) suprajohtajat, saavuttavat kriittisiä lämpötiloja huomattavasti korkeammalla, yli 90 kelvin joillakin kuparihappo- ja rautapitoisilla yhdisteillä. Korkea Tc mahdollistaa nestemäisen typen jäähdytyksen hyödyntämisen, mikä helpottaa käytännön sovelluksia, mutta materiaalit voivat olla tyypin II suprajohtajia, joilla on monimutkaisempi magneettikenttien hallinta.

Sovellukset kattavat lääketieteelliset magneetit MRI-/NMR-laitteista hiukkaskiihdyttimiin ja magneettivetoisiin kulkutapoihin sekä sähköenergian siirtoverkkoihin, joissa kyse on tehosta ja pienestä energiahäviöstä. Haasteina ovat jäähdytysvaatimukset, materiaalien hauraus sekä kustannukset sekä magneettikenttien ja virran hallintaan liittyvät ongelmat, kuten vorteksien pinoutuminen. Tutkimus etenee edelleen: korkeampien Tc-arvojen löytöjä sekä tapausten, joissa suprajohtavuus toimii normaalipaineessa, pyritään löytämään kohtuuhinnolla, kestävin materiaalein ja käytännön sovelluksin. Lisäksi hydrideihin liittyvät korkeat Tc:t korkeilla paineilla osoittavat läheisiä reittejä room temperature -tuloksiin, mutta vaativat vielä merkittäviä teknisiä ratkaisuja.