superjohtavien

Superjohtavien aineiden ilmiö, superconductivity, on tila, jossa materiaali menettää sähkön vastuksen kokonaan ja hylkii magneettikenttiä alhaisissa lämpötiloissa. Tämä tapahtuu kriittisen lämpötilan Tc alapuolella. Sähkövirta voi siten kiertää johtimessa ilman häviöitä, mikä mahdollistaa suurten magneettien käytön ja energianvarastoinnin. Meissnerin ilmiö kuvaa magneettikentän täydellistä torjuntaa, joka erottaa superjohtavuuden normaalista johtamisesta.

Superjohtavuudella on kaksi päätyyppiä: tyyppi I ja tyyppi II. Tyyppi I -superjohtajat menettävät superjohtavuutensa pienissä magneettikentissä ja kokevat Meissnerin ilmiön. Tyyppi II -superjohtajat kestävät huomattavasti suurempia kenttiä ja muodostavat vortex-tilan, mikä tekee niistä käytännöllisiä suurien magneettien sovelluksiin.

Perinteinen selitys superjohtavuudelle on BCS-teoria (Bardeen–Cooper–Schrieffer, 1957), jossa elektronit pariutuvat Cooper-parien välisen vetävän vuorovaikutuksen seurauksena. Tämä pariutuminen johtaa energiarakenteeseen, joka estää sähkön vastuksen muodostumisen.

Korkean lämpötilan superjohtavuus, löydetty 1980-luvulla kuprateista, osoittaa Tc:n usein yli 100 kelvin. Näitä materiaaleja kutsutaan korkealämpötilaisiksi superjohtajiksi, ja niiden mekanismit eroavat usein perinteisestä BCS-kuvauksesta. Ne vaativat silti kylmätiloja ja erityisiä rakenteita.

Sovelluksia ovat magneettiset MRI- ja NMR-laitteet, hiukkasfysiikan magneetit, fuusiofysiikan tutkimus sekä mahdollisesti tehokkaat sähkönsiirto- ja energianvarastointiratkaisut. Haasteina ovat kylmätekniikan kustannukset, materiaalien mekaaninen kestävyys ja valmistuskustannukset. Tutkimus jatkuu, tavoitteena löytää materiaaleja, jotka ovat superjohtavia korkeammissa lämpötiloissa ja helpommin kaupallistettavissa.