suprajohtavuutensa

Suprajohtavuus on ilmiö, jossa aine johtaa sähköä käytännössä vastustamattomasti, kun se on alhaisen lämpötilan alueella. Yhtenäisesti siihen liittyy Meissnerin ilmiö, jonka mukaan ulkoiset magneettikentät torjoutuvat aineen sisältä ja magneettinen kenttä pysähtyy pinnan tuntumaan. Näin ollen suprajohtavat materiaalit voivat sekä johtaa sähköä ilman häviöitä että vaikuttaa magneettikenttiin eri tavalla kuin tavalliset johteet.

Käytännössä suprajohtavuudella on kaksi keskeistä rajoitetta: kriittinen lämpötila Tc ja kriittinen magneettikenttä, jonka alapuolella aine säilyttää suprajohtavuutensa. Monissa materiaaleissa sovelletaan myös kriittistä virran tiheyttä Jc. Yleisesti ottaen materiaalit jaetaan Type I - ja Type II -kohtausten mukaan. Type I -materiaalit ovat perinteisiä ja niillä on pieni Hc ja täydellinen Meissnerin tila, kun taas Type II -materiaalit hyväksyvät magnettivirtotilanteen (ns. virtaus- tai kolikoitumistila) ja kestävät huomattavasti suurempia kenttiä, mikä tekee niistä käytännöllisiä suurissa magneettisissa sovelluksissa.

Teoreettisesti suprajohtavuus selittyy usein BCS-teorialla (Bardeen-Cooper-Schreiffer), jonka mukaan elektroneista muodostuu Coop-pareja, jotka liikkuvat siirtohäviöttömästi. Konventionaalisissa suprajohtajissa tämä paritus johtuu elektronien ja kommunikoivien yhdisteiden (foni) välisestä vuorovaikutuksesta. Korkean lämpötilan suprajohtavuudesta onkin muodostunut yksi suurimmista tutkimusaiheista: näissä materiaaleissa mekanismit eivät ole täysin yhdentekeviä, ja tutkimus jatkuu.

Historian merkittäviä virstanpylväitä ovat Onnesin löytö 1911, jolloin mercury osoitti suprajohtuvuutta, sekä 1986 Bednorz ja Müller, jotka löysivät korkean lämpötilan suprajohtuvuuden kupariseoksissa. Myöhemmin on kartoitettu lukuisia muita materiaaleja, kuten cuprates ja rautapohjaiset suprajohtajat, sekä kehitetty kokeita korkea- paineessa toimivia hydrideja.

Sovellukset vaihtelevat magneettikenttien tuottamisesta ja MRI-laitteista hiukkaskiihdyttimien magnetteihin sekä sähköverkkoihin ja magneettisiin kuljetuksiin. Haasteina ovat kylmätilojen vaatimus, materiaalien hauraus ja kustannukset, sekä parempien ja helpommin allaan toimivien suprajohtavuusmateriaalien kehittäminen.