superjohtavat

Superjohtavuus on ilmiö, jossa tietyt materiaalit osoittavat nollan sähköresistanssin ja hylkivät magneettikenttiä Meissnerin ilmiön seurauksena kriittisen lämpötilan Tc alapuolella. Tämä tila mahdollistaa energiahäviöttömän sähkönjohtamisen ja tekee suurten magneettivoimien käytöstä käytännöllistä. Resistanssin täydellinen katoaminen ja magneettikentän karkottaminen ovat tunnusomaisia piirteitä tästä ilmiöstä.

Materiaalit voidaan jakaa kahteen päätyyppiin: tyypin I ja tyypin II. Tyypin I -superjohtavuus esiintyy yleisimmin kevyissä metalleissa ja niillä on yksi kriittinen magneettikenttä, jonka ylittyessä materiaali siirtyy normaalitilaan eikä Meissnerin ilmiö enää päde. Tyypin II -superjohtavuus, johon kuuluvat monet käytännölliset johdot kuten NbTi ja Nb3Sn sekä useat korkean lämpötilan materiaalit, sietää suurempia kenttiä ja esiintyy kahdessa vaiheessa: pienemmissä kentissä magneettikenttä tunkeutuu vorteksien muodossa, jolloin materiaali säilyttää suuria virtoja suurissa kentissä sekä nykyisenä määritelmänä, kun kenttä lähenee Hc2:ta, siirtyen kohti normaalia tilaa.

BCS-teorian mukaan superjohtavuus johtuu elektronien muodostamista Cooper-pareista, jotka välittävät voimakentän kautta lepäävän lattice- tai phonon-välitteisen vuorovaikutuksen kautta. Parit muodostavat kvanttipohjaisen kondensaation, mikä johtaa energian aukkoon ja nollaan resistanssiin. Konventionaaliset superjohtajat, kuten NbTi ja Nb3Sn, toimivat alhaisissa lämpötiloissa, kun taas korkean lämpötilan superjohtajat (HTS), kuten YBCO ja BSCCO, ovat keraamisia ja tarvitsevat jäähdytystä likimäärin 77 kelvin tai alempana.

Sovelluksia ovat MRI- ja NMR-magnetit, hiukkasfysiikan tutkimusinfrastruktuurit sekä maglev-liikenne, virranjohtimet ja SQUID-sensorit. Haasteisiin kuuluvat tarvittava jäähdytys, materiaalien hauraus ja kustannukset sekä pinninga-tekniikoiden kehittäminen, jotta suuria virtoja ja korkeita kenttiä voidaan hallita luotettavasti. Tutkimus suuntautuu edelleen sekä perusymmärryksen täydentämiseen että uusien käytännöllisten materiaalien ja sovellusten kehittämiseen.

---