Mitä on suprajohtavuus?

Suprajohtavuus on hieno osa fysiikkaa, jolla on käyttöä monissa elämämme tekijöissä. Jos tiedemiehet pystyisivät löytämään huoneenlämpötilan ja paineen suprajohteen, se mullistaisi tekniikan. Valitettavasti tämä on osoittautunut erittäin vaikeaksi tehtäväksi, eikä se välttämättä ole ollenkaan mahdollista.

Mitä on suprajohtavuus?

Sähköjohdin on materiaali, joka voi johtaa sähköä. Jokaisella materiaalilla on oma sähkövastus, joka mittaa sen vastustusta sähkövirran kulkua vastaan. Materiaali, jolla on suuri vastus, on huono johdin ja päinvastoin.

Suprajohtavuus on fysiikan ilmiö, jossa materiaalin sähkövastus on nolla. Tässä tilassa on useita mielenkiintoisia ja hyödyllisiä vaikutuksia. Suprajohde, jolla ei ole vastusta, tarkoittaa, että sähkövirta voidaan kuljettaa sen läpi ilman, että se koskaan menetä energiaa tai lämmitä sitä. Tämä voi mahdollistaa täydellisen tehokkaan energian siirron ja varastoinnin.

Suprajohteet voivat myös luoda poikkeuksellisen voimakkaita magneetteja, esimerkkejä tästä löytyy MRI-laitteista ja hiukkaskiihdyttimistä. Kokeet ovat osoittaneet, että sähkövirrat näissä magneeteissa voivat kestää vuosia ilman mitattavissa olevaa voimakkuuden heikkenemistä. Tutkimukset viittaavat siihen, että virta olisi vakaa vähintään 100 000 vuotta, ja joidenkin arvioiden mukaan virta voisi kestää kauemmin kuin maailmankaikkeuden arvioitu elinikä.

Kun suprajohteet asetetaan magneetin päälle, ne muodostavat samanlaisen magneettikentän, joka hylkii magneettia. Tämä mahdollistaa suprajohteiden leijumisen täydellisesti magneetin ylä- tai alapuolella tai jopa magneettirataa pitkin.

Suprajohtavuuden vaatimukset

Materiaali alkaa suprajohtaa vasta tietyn lämpötilan alapuolella, jolloin sen sähkövastus putoaa yhtäkkiä nollaan. Valitettavasti kaikista tunnetuista suprajohteista tulee suprajohtavia vain erittäin kylmissä lämpötiloissa. "Korkean lämpötilan" suprajohde määritellään materiaaliksi, joka käyttäytyy suprajohteena nestemäisen typen lämpötilan (73 K tai -200 °C) yläpuolella. Tarkkaa lämpötilaa, jossa materiaalin sähkövastus putoaa nollaan, kutsutaan "kriittiseksi lämpötilaksi".

Vihje: Erityisen kylmät fysiikan elementit mitataan yleensä kelvineissä (K). Yksi Kelvin vastaa yhtä celsiusastetta, mutta Kelvin-asteikko alkaa absoluuttisesta nollasta eli -273,15 °C:sta.

Vuodesta 2020 lähtien havaittu korkein lämpötila suprajohde on Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, jonka kriittinen lämpötila on 138K tai -135°C yhdellä paineilmakehällä.

Lämpötila ei ole ainoa tärkeä tekijä suprajohtavuudessa, vaan paineella on myös osansa useissa suprajohtimissa. Rikkivedyn (H2S) kriittinen lämpötila on vain 203 K (-70 °C) ja lantaanidekahydridin (LAH10) kriittinen lämpötila on 250 K (-23 °C). Valitettavasti näiden materiaalien on oltava uskomattoman korkeissa paineissa tullakseen suprajohtaviksi, kun H2S tarvitsee 986 923 ilmakehän painetta ja LaH10 tarvitsee 1 677 770 ilmakehää.

Vinkki: Paine tällä asteikolla mitataan yleensä GPa- tai Giga-pascaleina numeroiden ollessa 100 GPa ja 170 GPa. Jotta tämä arvo olisi ymmärrettävämpi, se on muutettu tunnelmaksi. Yksi paineilmakehä on maan keskimääräinen ilmanpaine merenpinnan tasolla. Vertailun vuoksi: paine Maan valtamerten syvimmässä kohdassa, Marianan kaivannon Challenger Deepissä, on 1071 ilmakehää 10 994 metriä merenpinnan alapuolella.

Huonelämpöisten suprajohteiden mahdolliset tulevaisuuden käyttötarkoitukset

Termiä "huonelämpötilan suprajohde" käytetään viittaamaan mahdollisiin tuleviin materiaaleihin, jotka osoittavat suprajohtavuutta yli 273 K tai 0 °C:n lämpötiloissa. Ollakseen erityisen käyttökelpoisia todellisessa maailmassa, näiden materiaalien tulee myös olla suprajohtavia yhden ilmakehän paineessa tai lähellä sitä.

Huoneenlämpöinen suprajohde auttaisi vähentämään maailman energiaongelmia lähes eliminoimalla sähkölinjojen kautta tapahtuvan pitkän matkan siirron aikana häviävän sähköenergian. Ne mahdollistaisivat myös nopeammat tietokoneet ja muistitallennuslaitteet sekä herkempiä tieteellisiä antureita. Olisi paljon halvempaa käyttää supervahvoja magneetteja, joita käytetään laitteissa, kuten hiukkaskiihdyttimissä, MRI-koneissa, prototyyppiydinfuusioreaktoreissa ja maglev-junissa, koska magneetit eivät vaadi nestemäistä typpeä suprajohteen jäähdyttämiseen tarpeeksi toimiakseen.