suprajohtuvuus

Suprajohtuvuus on ilmiö, jossa aine menettää kokonaan sähköisen resistanssinsa alhaisissa lämpötiloissa ja kykenee ylläpitämään sähkövirran ilman merkittäviä häviöitä. Samalla materiaali hylkii magneettikenttiä, mikä tunnetaan Meissnerin ilmiönä. Kriittisiä parametreja ovat kriittinen lämpötila Tc, kriittinen magneettikenttä Bc sekä kriittinen virratiheys Jc, joiden ylittäessä materiaali siirtyy normaaliksi.

Historiassa suprajohtuvuus löydettiin vuonna 1911, kun Onnes havaitsi elohopean resistanssin laskevan nollaksi kylmätilassa. Myöhemmin Meissner ja Ochsenfeld 1933 osoittivat magneettikentän täydellisen karkottamisen suprajohtavasta kappaleesta. Teoreettisesti suurin osa perinteisistä suprajohtuvuuksista selittyy BCS-teorialla, joka löytyi vuonna 1957 Cooper-paarien kautta. Vuonna 1986 havaittiin korkean lämpötilan suprajohtuvuus cuprateista, mikä laajensi käsityksiä kylmävarauksista.

Materiaaleja on kahta pääkategoriaa: konventionaaliset suprajohtajat, kuten elohopea, NbTi ja Nb3Sn, joiden suprajohtuvuus selittyy pääosin BCS-teorialla; sekä korkean lämpötilan suprajohtuvat (HTS) cupratet ja iron-pnictides, joiden mekanismit eivät ole yhtä yksinkertaisia. Type I -materiaalit hylkivät magneettikentän kokonaan ennen kriittistä tilaa; Type II -materiaalit kestävät suurempia kenttiä ja muodostavat vorteksikuvion, mikä tekee niistä tärkeitä suurten magneettikenttien sovelluksissa.

Sovelluksia ovat lääketieteelliset magneetit MRI- ja NMR-käytössä, maglev-junat, hiukkasfysiikan kokeet sekä sähkönsiirron ja magneettikenttien tuottamisen vaatimat ratkaisut.

Haasteina ovat kylmäysten tarve, kustannukset sekä materiaalien mekaaninen hauraus ja jäähdytysjärjestelmien monimutkaisuus. Tutkimus tähtää uusiin korkeAmpiin Tc:n materiaaleihin sekä parempiin valmistusmenetelmiin, jotta suprajohtuvuus voisi laajentua kaupallisiin ja arjen sovelluksiin.