Suprajohdin on elementti tai metalliseos, joka jäähtyessään tietyn kynnyslämpötilan alapuolelle menettää dramaattisesti kaiken sähköisen vastuksen. Periaatteessa suprajohtajat voivat sallia sähkövirta virtaamaan ilman energiahäviöitä (vaikka käytännössä ihanteellista suprajohdin on erittäin vaikea tuottaa). Tämän tyyppistä virtaa kutsutaan supervirraksi.
Kynnyslämpötila, jonka alapuolella materiaali siirtyy suprajohdintilaan, on merkitty TC, joka tarkoittaa kriittistä lämpötilaa. Kaikista materiaaleista ei muodostu suprajohteita, ja materiaaleilla, joilla jokaisella on oma arvo, on TC.
Suprajohtimien tyypit
- Tyypin I suprajohteet toimii johtimina huoneenlämpötilassa, mutta kun se jäähdytetään alle TC, materiaalin sisällä oleva molekyyliliike vähenee niin paljon, että virran virtaus voi liikkua esteettömästi.
- Tyypin 2 suprajohteet eivät ole erityisen hyviä johtimia huoneenlämpötilassa, siirtyminen suprajohdintilaan on enemmän asteittaista kuin tyypin 1 suprajohteet. Tämän tilanmuutoksen mekanismia ja fyysistä perustaa ei tällä hetkellä ymmärretä täysin. Tyypin 2 suprajohteet ovat tyypillisesti metalliyhdisteitä ja seoksia.
Suprajohtimen löytö
Suprajohtavuus havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1911, kun hollantilainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes pääsi elohopeaa jäähdyttämään noin 4 asteeseen Kelviniä ja sai hänelle vuoden 1913 fysiikan Nobel-palkinnon. Tämän jälkeen tämä kenttä on laajentunut huomattavasti ja monia muita suprajohteiden muotoja on löydetty, mukaan lukien tyypin 2 suprajohteet 1930-luvulla.
Suprajohtavuuden perusteoria, BCS-teoria, ansaitsi tutkijoille - John Bardeen, Leon Cooper ja John Schrieffer - vuoden 1972 fysiikan Nobel-palkinnon. Osa vuoden 1973 fysiikan Nobel-palkinnosta meni Brian Josephsonille myös työstä suprajohtavuudella.
Tammikuussa 1986 Karl Muller ja Johannes Bednorz tekivät löytön, joka mullisti miten tutkijat ajattelivat suprajohteita. Ennen tätä kohtaa ymmärrettiin, että suprajohtavuus ilmenee vasta, kun se jäähdytetään melkein absoluuttinen nolla, mutta käyttämällä bariumin, lantaanin ja kuparin oksidia, he huomasivat, että siitä tuli suprajohdin noin 40 asteessa Kelvinia. Tämä käynnisti kilpailun löytää materiaaleja, jotka toimivat suprajohteina paljon korkeammissa lämpötiloissa.
Sen jälkeisinä vuosikymmeninä korkeimmat saavutetut lämpötilat olivat noin 133 Kelvin-astetta (vaikka voisit nousta jopa 164 Kelvin-asteeseen, jos käytät korkeaa painetta). Elokuussa 2015 Nature-lehdessä julkaistu paperi raportoi suprajohtavuuden havaitsemisesta 203 asteessa Kelvin-astetta korkeassa paineessa.
Suprajohteiden sovellukset
Suprajohteita käytetään monissa sovelluksissa, mutta etenkin Large Hadron Collider -rakenteessa. Ladattujen hiukkasten palkkeja sisältävät tunnelit ympäröivät putket, joissa on voimakkaita suprajohteita. Supravirtojen läpi virtaavat supervirrat synnyttävät voimakkaan magneettikentän läpi elektromagneettinen induktio, jota voidaan käyttää nopeuttamaan ja ohjaamaan joukkuetta haluamallasi tavalla.
Lisäksi suprajohtimet näyttelevät Meissner-vaikutus jossa ne poistavat kaiken materiaalin sisällä olevan magneettisen vuon ja muuttuvat täydellisesti diamagneettisiksi (löydetty vuonna 1933). Tässä tapauksessa magneettikenttäviivat todella kulkevat jäähdytetyn suprajohteen ympäri. Juuri tätä suprajohtimien ominaisuutta käytetään usein magneettisen levitaation kokeissa, kuten kvanttilukitus nähden kvanttilevitaatiossa. Toisin sanoen, jos Paluu tulevaisuuteen tyyli leijulaudat koskaan tullut todellisuutta. Vähemmän arkipäiväisessä sovelluksessa suprajohteilla on rooli nykyaikaisessa kehityksessä magneettinen levitaatiojunat, jotka tarjoavat tehokkaan mahdollisuuden nopealle julkiselle liikenteelle, joka perustuu sähköön (mikä voi olla uusiutuvilla energialähteillä tuotettu), toisin kuin uusiutumattomat nykyiset vaihtoehdot, kuten lentokoneet, autot ja hiilivoimat junia.
Muokannut Tohtori Anne Marie Helmenstine