Suprajohtavuus
on ominaisuus, joka näkyy tietyissä materiaaleissa erittäin alhaisissa lämpötiloissa.
Tämän ominaisuuden omaavia materiaaleja ovat metallit ja niiden seokset
(tina, alumiini ja muut), jotkut puolijohteet ja tietty keramiikka
Kupraatit, jotka sisältävät kupari- ja happiatomeja. A
suprajohdin johtaa sähköä ilman vastusta, ainutlaatuinen
omaisuutta. Se myös torjuu magneettikentät täydellisesti ilmiössä
tunnetaan nimellä Meissner -efekti, menettäen sen sisäisen magneettikentän
olisi saattanut olla ennen jäähdyttämistä kriittiseen lämpötilaan. Koska
tästä vaikutuksesta jotkut voidaan saada kellumaan loputtomasti vahvan yläpuolelle
magneettikenttä.
varten
useimpien suprajohtavien materiaalien kriittinen lämpötila on alle noin
30 K (noin -406 ° F tai -243 ° C). Jotkut materiaalit, ns
korkean lämpötilan suprajohteet, tee vaihesiirto tähän
tilassa paljon korkeammissa kriittisissä lämpötiloissa, tyypillisesti yli 70 K: ssa
(noin -334 ° F tai -203 ° C) ja joskus jopa 138 K
(noin -211 ° F tai -135 ° C). Nämä materiaalit ovat melkein
aina cuprate-perovskite-keramiikkaa. Ne näyttävät hieman erilaisilta
ominaisuuksia kuin muut suprajohteet, ja tapa, jolla ne siirtyvät
ei vieläkään täysin selitetty. Joskus niitä kutsutaan tyypiksi II
suprajohteita erottaakseen ne tavanomaisemmasta tyypistä
I.
–
teoria perinteisistä matalan lämpötilan suprajohteista on kuitenkin
hyvin ymmärretty. Johtimessa elektronit virtaavat ionin läpi
atomien hila, vapauttaen osan energiastaan hilaan ja
lämmittää materiaalia. Tätä virtausta kutsutaan sähköksi. Koska
elektronit törmäävät jatkuvasti hilaan, osa niistä
energia katoaa ja sähkövirta pienenee voimakkuuden myötä
kulkee koko johtimen läpi. Tätä tarkoitetaan sähköllä
vastus johtumisessa.
In
suprajohdin, virtaavat elektronit sitoutuvat toisiinsa
Cooper -pareiksi kutsutut järjestelyt, joiden täytyy saada voimakas isku
energiaa hajottamaan. Elektronit Cooper -pareissa
superfluidiset ominaisuudet, jotka virtaavat loputtomasti ilman vastusta. The
äärimmäinen kylmä tarkoittaa, että sen jäsenten atomit eivät värise voimakkaasti
riittää hajottamaan Cooper -parit. Näin ollen parit pysyvät
sidottu toistaiseksi toisiinsa niin kauan kuin lämpötila pysyy alle
kriittinen arvo.
elektronit
Cooper -pareissa houkuttelevat toisiaan fononien vaihdolla,
kvantisoidut värähtelyyksiköt
materiaalia. Elektronit eivät voi sitoutua suoraan toisiinsa tällä tavalla
nukleonit tekevät, koska he eivät koe ns
voimakas voima, “liima”, joka pitää protoneja ja
neutronit yhdessä ytimessä. Lisäksi elektronit ovat kaikki
negatiivisesti varautuneita ja siten hylkäävät toisiaan, jos hekin saavat sen
lähellä toisiaan. Jokainen elektroni lisää hieman varausta
sitä ympäröivä atomihila, joka kuitenkin luo verkkotunnuksen
positiivinen varaus, joka puolestaan houkuttelee muita elektroneja. Dynamiikka
Cooperin pariliitos perinteisissä suprajohteissa kuvattiin
matemaattisesti BCS -suprajohtamisteorialla, joka kehitettiin vuonna 1957
kirjoittanut John Bardeen, Leon Cooper ja Robert Schrieffer.
As
tutkijat löytävät jatkuvasti uusia materiaaleja, jotka suprajohtavat korkeammalle
lämpötiloissa, ne lähestyvät materiaalin löytämistä
integroitu sähköverkkoihimme ja elektronisiin malleihimme ilman mitään vahinkoa
isot jäähdytyslaskut. Vuonna 1986 tehtiin merkittävä edistysaskel
JG Bednorz ja KA Müller löysivät ne, jotka työskentelevät
korkeampia lämpötiloja nostamalla kriittistä lämpötilaa niin paljon, että
tarvittava kylmyys voitaisiin saavuttaa nestemäisellä typellä sen sijaan
kalliilla nestemäisellä heliumilla. Jos tutkijat löytäisivät lisää
materiaaleja, joita voitaisiin käyttää tällä tavalla, ehkä siitä tulee
taloudellisesti mahdollista siirtää sähköä hyvin pitkään
etäisyyksiä ilman sähköhäviöitä. Myös erilaisia muita sovelluksia
olemassa hiukkaskiihdyttimissä, moottoreissa, muuntajissa, tehon varastoinnissa,
magneettisuodattimet, fMRI -skannaus ja magneettinen levitaatio