Transcript Suprajohteet

Suprajohtavuus
Niko Johansson ja Ville Paasonen
Mikä Suprajohtavuus?
•
Suprajohtavuudella tarkoitetaan kvanttimekaanista
ilmiötä, jossa aine menettää resistiivisyytensä, ts. sen
konduktiivisyys kasvaa äärettömän suureksi
•
Tämä tapahtuu kriittisessä lämpötilassa, Tc
•
Yleisemmät ja vanhimmat , ns. matalan lämpötilan
suprajohteet vaativat hyvin alhaisen lämpötilan
tullakseen suprajohteiksi (Tc<30K)
Historiaa
•
Alankomaalainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes löysi
ensimmäisenä suprajohtavuuden tutkiessaan elohopean
ominaisuuksia hyvin alhaisissa lämpötiloissa vuonna 1911
•
Walther Meissner ja Robert Ochsenfeld kuvasivat meissnerin
ilmiön 1933
•
1935 Londonin veljekset kirjoittivat londonin yhtälöt, jotka pystyvät
selittämään mm. meissnerin ilmiön
•
Hiukkastasolla suprajohtavuutta selittävä BCS-teoria esitettiin
1957
•
Ensimmäinen korkean lämpötilan suprajohde löydettiin 1986
Supranesteet
•
Nesteitä joilla ei ole sisäistä kitkaa eli
viskositeettiä eikä näin esim. pintajännitystä
•
Esim. nestemäinen helium voi esiintyä
supranesteenä ( 4He, tyyppi II)
•
Kyseessä on kvanttifysiikan ilmiö: hiukkasten
tulee olla Bosen hiukkasia eli niiden spinin täytyy
olla kokonaisluku , helium 4:llä 0
•
Myös 3He:lla esiintyy suprajohtavuutta, mutta se
vaatii hiukkasten parinmuodostusta, ja näin ollen
huomattavasti alhaisempia lämpötiloja
•
Supraneste koostuu aina sekä kitkansa
menettäneistä, että “normaaleista” hiukkasista,
lämpötilaa laskettaessa kitkattomien hiukkasten
määrä lisääntyy
supranesteistä Suprajohteisiin –
elektronimeri
•
Metallisidokseen osallistuvien elektronien voidaan ajatella
muodostavan “nesteen” metallin sisälle
•
Pelkistettynä suprajohtavuus tarkoittaa sitä, että osa
metallin vapaista elektroneista – eletronimerestä –
muuttuu supranesteeksi
•
Koska elektronit ovat Fermin hiukkasia, (spin 1/2) ne eivät
voi yksinään muodostaa supranestettä vaan niiden tulee
pariutua
•
Muodostuu ns. Cooperin pareja; tämä tapahtuu alhaisissa
läpötiloissa kahden elektronin ja fononin eli metallihilan
•
Suprajohteissa (tyyppi I) esiintyvä
ilmiö, jossa magneettikenttä ei kulje
suprajohteen sisällä
•
Kaikki täydellisesti diamagneettiset
kappaleet (suprajohteet) estävät
magneettivuon pääsyn niiden sisään
induktiolain nojalla; kappaleen pintaan
muodostuvat voimakkaat ja
vaimenemattomat sähkövirrat luovat
ulkoiselle kentälle vastakkaisen
magneettikentän – nämä kumoavat
toisensa
Meissnerin ilmiö
kappaleessa jo olevan magneettivuon
karkottamista sen siirtyessä suprajohtavaan
tilaan
• Seurauksena
suprajohteet hylkivät
magneetteja, vaikka niiden läpi ennen
suprajohtavaan tilaan siirtymistä kulkisikin
magneettivuo
• Meissnerin
ilmiötä ei voida selittää yksin
suprajohtavuuden ja induktiolain perusteella;
suprajohteita kuvaavat Londonin yhtälöt
Tyypin II suprajohteet
•
•
Tyypistä I poiketen päästävät magneettikentää lävitseen
menettämättä suprajohtavuuttaan; tämä tapahtuu, kun
magneettikentän voimakkuus saavuttaa kriittisen arvon Hc1
•
Säilyttävät suprajohtavuutensa voimakkaissakin
magneettikentissä
•
Soveltuvat tyyppiä I paremmin käytettäviksi esim.
sähkömagneeteissa
Magneettikenttä läpäisee suprajohteen eräänlaisina yhden
vuokvantin suuruisina pyörrevirtoina, jotka yleensä
syntyvät hilan epätäydellisyyksien ympärille (quantum/flux
Kvanttilevitaatio
• Mahdollinen vain tyypin II suprajohteilla
•
Ilmiössä pieni osa magneetin magneettivuosta läpäisee
suprajohteen, ja näin ikään kuin “kiinnittää” sen itseensä
(Tc1)
•
Riittävän alhaisissa lämpötiloissa suprajohteen läpäisevät
vuokvantit voivat kannattaa jopa tuhansia kertoja sen
painon
•
Tällöin suprajohteeseen tai magneettiin kohdistuva pieni
häiriö aiheuttaa tasapainoasemaan suuntautuvan voiman
•
Riittävän suurella voimalla voidaan kuitenkin
tasapainoasemaa muuttaa; tämä perustuu kappaleen
Matalan läpötilan
suprajohteita (LTS)
•
Suprajohtavat alkuaineet ja monet niiden muodostamat
yhdisteet ja seokset
•
Alkuaineet useimmiten tyyppiä I, yhdisteet yleensä
tyyppiä II
suprajohtavat alkuaineet
Korkean läpötilan
suprajohteita
•
Usein keraamisia ja kiderakenteeltaan tertagonisia
yhdisteitä, suprajohtavuus tyyppiä II
•
Suprajohteiden välisten kytkentöjen heikon
suprajohtavuuden hyödyntäminen (Josephsonin
kytkennät)
Sovelluksia
• magneettikenttien tarkat mittaukset (SQUID,
superconducting quantum interference deivice)
•
Suuritaajuisen (>100 GHz) vaihtovirran tuotto
Suprajohteiden heikkouksia
•
Useimmat korkean lämpötilan suprajohteet toistaiseksi
huomattavan kalliita; materiaalit ja alhaiset läpötilat
•
Kaikki nykyisin tunnetut suprajohteet voivat johtaa
sähköä ilman vastusta vain tiettyyn rajaan saakka –
kun virran indusoiman magneettikentän voimakkuus
saavuttaa kriittisen arvon (Hc tyypillä I, Hc2 tyypillä II),
kappale menettää suprajohtavuutensa osittain tai
kokonaan
Tulevaisuus
•
•
Topologiset eristeet
•
eristeitä sisältä, suprajohteita päältä
•
erottelevat yksittäisiä elektronivirtoja spinin mukaan
•
sovelluksia uusien hiukkasten löytämisessä ja näin
mahd. supertietokoneissa
Suprajohteita huoneenlämmössä?
•
Eräät vety-yhdisteet (esim silaani) muuttuvat tuoreen
tutkimuksen mukaan korekissa paineissa suprajohtaviksi
•
Lähes rajattomat sovellusmahdollisuudet