Mis on ülijuhtivus?

Ülijuhtivus on füüsika lahe osa, mida saab kasutada paljudes meie elutegurites. Kui teadlased suudaksid avastada toatemperatuuril ja -rõhul oleva ülijuhi, muudaks see tehnoloogia revolutsiooniliseks. Kahjuks on see osutunud väga keeruliseks ülesandeks ja ei pruugi olla üldse võimalik.

Mis on ülijuhtivus?

Elektrijuht on materjal, mis suudab elektrit juhtida. Igal materjalil on oma elektritakistus, mis näitab selle vastuseisu elektrivoolu voolule. Suure takistusega materjal on halb juht ja vastupidi.

Ülijuhtivus on füüsikaline nähtus, kus materjali elektritakistus on null. Selles olekus on mitmeid huvitavaid ja kasulikke efekte. Takistuseta ülijuht tähendab, et elektrivool võib seda läbida ilma energiat kaotamata või seda soojendamata. See võib võimaldada täiesti tõhusat energia edastamist ja salvestamist.

Ülijuhid võivad luua ka erakordselt võimsaid magneteid, näiteid selle kohta võib leida MRT-masinatest ja osakeste kiirenditest. Katsed on näidanud, et nende magnetite elektrivoolud võivad püsida aastaid ilma mõõdetava tugevuse vähenemiseta. Uuringud näitavad, et vool oleks stabiilne vähemalt 100 000 aastat, mõned hinnangud ennustavad, et vool suudab püsida kauem kui universumi hinnanguline eluiga.

Magneti kohale asetades moodustavad ülijuhid võrdse magnetvälja, mis magneti tõrjub. See võimaldab ülijuhtidel leviteerida ideaalselt magneti kohal või all või isegi mööda magnetite rada.

Ülijuhtivuse nõuded

Materjal hakkab ülijuhtima alles teatud temperatuurist madalamal, kus selle elektritakistus langeb ootamatult nullini. Kahjuks muutuvad kõik teadaolevad ülijuhid ülijuhtivaks alles ülikülmadel temperatuuridel. Kõrge temperatuuriga ülijuht on defineeritud kui materjal, mis käitub ülijuhina üle vedela lämmastiku temperatuuri (73 K või -200 °C). Täpset temperatuuri, mille juures materjali elektritakistus langeb nullini, nimetatakse "kriitiliseks temperatuuriks".

Näpunäide: Füüsika eriti külma elemente mõõdetakse üldiselt kelvinites (K). Üks kelvin võrdub ühe Celsiuse kraadiga, kuid Kelvini skaala algab absoluutsest nullist ehk -273,15 °C.

Kõrgeima temperatuuriga ülijuht, mis 2020. aasta seisuga avastati, on Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, mille kriitiline temperatuur on 138K ehk –135°C ühe atmosfäärirõhu juures.

Temperatuur ei ole ülijuhtivuse ainus oluline tegur, rõhk mängib rolli ka paljudes ülijuhtides. Vesiniksulfiidi (H2S) kriitiline temperatuur on vaid 203 K (-70 °C) ja lantaandekahüdriidi (LAH10) kriitiline temperatuur on 250 K (-23 °C). Kahjuks peavad need materjalid ülijuhtivaks muutumiseks olema uskumatult kõrge rõhu all, kusjuures H2S vajab 986 923 atmosfääri rõhku ja LaH10 vajab 1 677 770 atmosfääri.

Näpunäide: rõhku sellel skaalal mõõdetakse üldiselt GPa või Giga-paskalites, numbrid on vastavalt 100 GPa ja 170 GPa. Selle väärtuse arusaadavamaks muutmiseks on see muudetud atmosfäärideks. Üks rõhk on Maa keskmine õhurõhk merepinnal. Võrdluseks, rõhk Maa ookeanide sügavaimas punktis, Mariana kraavi Challengeri sügavuses, on 10 994 meetrit allpool merepinda 1071 atmosfääri.

Toatemperatuuril töötavate ülijuhtide võimalikud kasutusvõimalused tulevikus

Mõistet "toatemperatuuri ülijuht" kasutatakse potentsiaalsete tulevaste materjalide tähistamiseks, millel on ülijuhtivus temperatuuril üle 273 K või 0 °C. Reaalses maailmas eriti kasulikuks muutumiseks peavad need materjalid olema ülijuhtivad ka ühe atmosfäärirõhu juures või selle lähedal.

Toatemperatuuril töötav ülijuht aitaks vähendada maailma energiaprobleeme, peaaegu kõrvaldades elektriliinide kaugedastusel kaotsi läinud elektrienergia. Need võimaldaksid ka kiiremaid arvuteid ja mäluseadmeid koos tundlikumate teaduslike anduritega. Oleks palju odavam kasutada ülitugevaid magneteid, mida kasutatakse sellistes seadmetes nagu osakeste kiirendid, MRI-masinad, tuumasünteesi reaktorite prototüübid ja maglev-rongid, kuna magnetid ei vajaks ülijuhi tööks piisavalt jahutamiseks vedelat lämmastikku.