KAIVOS- OSAAJA SUPRAJOHDE NOBELISTI ROKOTE - Kemia-lehti

Kelpoisimmat ja halvimmat suprajohteetvalmistetaan yhä niobititaanista, jokaotettiin käyttöön jo 40 vuotta sitten.Porilainen Luvata Oy on erikoistunuttuottamaan kuparimatriisin sisään upotettua,niobititaaniseoksesta tehtyä suprajohdekaapelia.Kaapelien on kestettäväsekä korkeita magneettikenttiä että sähkövirtoja.Niobititaaniset johteet ovat niin sanottujatoisen lajin suprajohteita. Niissäesiintyy korkeissa magneettikentissäMeissner-tilan ja normaalin tilan välissäseka- eli vorteksitila. Siinä suuri magneettikenttäpääsee osittain tunkeutumaansuprajohteen sisälle vuoputkia pitkin.Tällöin suprajohteessa esiintyy sekäresistiivisiä että suprajohtavia alueita.Walther Meissnerin mukaan vuonna1933 nimetty ilmiö on ääretöntä johtavuuttakinkäytetympi keino varmistaa,että materiaali on suprajohtavassa tilassa:suprajohde pyrkii hylkimään ulkoistamagneettikenttää ja toisaalta kenttä saadaanpoistumaan supratilaan jäähdytetystäjohteesta. Ilmiötä demonstroidaanusein suprajohtavan kappaleen yläpuolellalevitoivalla magneetilla.Suprajohtavuuden löytymisen jälkeenilmiötä pyrittiin selittämään myös teoreettisesti.Ongelmaa yrittivät ratkoa vuosisadantunnetuimmat teoreetikot AlbertEinsteinia ja Richard Feynmania myöten.Kattava selitys löytyi kuitenkin vastavuonna 1957, jolloin John Bardeen,Leo Cooper ja John Schreiffer laativatSupraseoksia jotuhansiaSuprajohtavuudeksi kutsutaan ilmiötä,jossa sähköä johtavan materiaalin– esimerkiksi metallin, metalliseoksen,keraamisen kupariyhdisteentai orgaanisen aineen – sähkönvastushäviää tietyn lämpötilan alapuolella.Lämpötila riippuu kulloisestakin materiaalistaja paineesta.Suprajohteiden kriittisiä arvojaovat myös kriittinen magneettikenttä(Meissnerin ilmiö) ja kriittinen virta.Kullekin aineelle tyypillisten arvojenalapuolella aine on suprajohtavassatilassa. Kriittiseen lämpötilaan liittyyusein aineen ominaislämmön anomalia.Jaksollisesta järjestelmästä on löydetty58 alkuainetta, jotka ovat suprajohteita.Suprajohtavia seoksia ja yhdisteitätunnetaan jo tuhansia.Suprajohteiden korkein toimintalämpötilaon vielä hyvin matala, normaalipaineessa133 ja korkeassa paineessa138 kelviniä eli –135 celsiusastetta.Magneettikuvaustaja kaapelointiaSuprajohteiden arkipäivän sovelluksetovat toistaiseksi harvassa. Jokapäiväisessäkäytössä suprajohteet ovatlähinnä magneettikuvauslaitteissa.Lisäksi suprajohdekaapeleita asennetaanerilaisiin sähköverkkoihin. Yksilöytyy New Yorkin Long IslandiltaHolbrookin metroasemalta.Suprajohdekaapelit ovat vielä viitisenkertaa kalliimpia kuin perinteisetkuuluisan BCS-teoriansa. Puhelun Tukholmastahe saivat vuonna 1972.Woodstockin hengessäBCS-kolmikko oivalsi, että suprajohdelämpötilanalapuolella sähkövaraustakuljettavat elektronit muodostavat johteenkidehilassa löyhästi toisiaan puoleensavetäviä pareja, joita kutsutaanCooperin pareiksi.Pareja muodostuu, kun elektronit vuorovaikuttavatkidehilan kvantittuneidenvärähtelyiden eli fononien kanssa. Cooperinparin ensimmäinen elektroni ikäänkuin raivaa polkua kidehilan ionisoituneidenhilapisteiden pellossa, ja parintoinen elektroni seuraa sitä minimoidensamalla oman energiansa.Cooperin parien muodostuminen jasen myötä makroskooppinen kvanttikoherenssion suprajohteiden universaaliilmentymä, vaikka elektronien ja fononienkytkentä ei sellaisenaan kuvaa tarkastimuita kuin perinteisiä metalli- jametalliseosjohteita.Perinteisten suprajohteiden maksimilämpötilapysytteli 1980-luvulle asti itsepintaisestialle 25 kelvinissä, eivätkä30 vuotta sitten löydetyt orgaanisetkaanjohteet tuoneet parannusta asiaan.Vuonna 1986 tapahtui kuitenkin läpimurto,kun George Bednorz ja AlexanderMüller löysivät IBM:n Zürichin laboratoriossakeraamiset, kuparipohjaisetsuprajohteet. He mittasivat lantaani-barium-kuparioksidinkriittiseksi lämpötilaksi30 kelvinastetta.Löytö kuumensi kiinteän olomuodontutkijat niin, että Amerikan fyysikkoseuranAPS:n seuraavan kevään kokoussai Woodstockin mittasuhteet. Istuntosalittäyttyivät tupaten täyteen, ja debattikorkean lämpötilan suprajohteista jatkuikiihkeänä vuorokauden ympäri.Odotukset vain kohosivat, kun M. K.Wu ja Paul Chu havaitsivat yttriumin,bariumin ja kuparioksidin yhdisteenmuuttuvan suprajohtavaksi typen kiehumispisteen(77 K) yläpuolella 93 kelvinasteessa.HTC-taivas näytti YBCO-kuparikaapelit, sillä suprajohteet tarvitsevatvähintäänkin nestetyppijäähdytystätoimiakseen luotettavasti.Suprajohteilla on kuitenkin tulevaisuutensa.Jos kaikki Suomen sähkönsiirtolinjatkorvattaisiin suprajohteilla,energiahävikkiä ei tapahtuisilainkaan, ja energiaa säästyisi yhdenydinvoimalan tuotannon verran.yhdisteiden jäljiltä valoisalta, ja IBM:nkaksikko kävi pokkaamassa Nobelit tuoreeltaanjoulukuussa 1987.Kuun pimeällä puolellaBCS-teoria kattaa hyvin tavanomaisetsuprajohteet mutta puree huonosti HTCmateriaaleihinja muihin eksoottisiin johteisiin.Onkin tapana sanoa, että ”BCSkertoo kaiken, mutta sen avulla ei löydämitään uutta”.HTC-yhdisteiden toimintalämpötila ontähän mennessä saatu nostetuksi 138 kelvinasteeseen.Ne siis toimisivat sellaisenaanilman jäähdytystä Kuun yön puolella.Perinteisiä suprajohteita hauraammistaHTC-johteista on onnistuttu valmistamaanhopeakuoreen upotettua suprajohdenauhaaja kaapeleitakin, mutta vieläniistä ei ole sovelluksissa niobiyhdisteidenkorvaajiksi.Kymmenen vuotta sitten löydettiin yllättäenmyös uusi perinteinen suprajohde,magnesiumdiboridi, jonka transitiolämpötilaon 39 kelvinastetta. Anomaliaoli sen ominaislämmön mittauksissavuonna 1957 jäänyt huomaamatta.Vuonna 2008 löydetyt raudan erilaisetyhdisteet, joissa magnetismi ja suprajohtavuuskamppailevat samoista elektroneista,ovat uusi epätavallisten suprajohteidenperhe. Niiden korkein muutoslämpötilaon nykyisin 58 kelvinastetta.Epätavallisten suprajohteiden teoria onhaaste tämän päivän kiinteän olomuodontutkijoille. Cooperin parien syntymekanismianiissä ei tarkoin tunneta. Kyse voifononien sijasta olla esimerkiksi magneettisistavärähtelyistä, antiferromagnetismistatai valenssisidoksista.Apua mekanismin selvittämiseen haetaanaktiivisesti kvanttioptiikastakin.Ultrakylmät alkaliatomihöyryt, joissaatomien välisiä vuorovaikutuksia ja vetovoimiavoidaan manipuloida, näyttävätsopivan myös suprajohteiden kvanttisimulointiin.Kirjoittaja on fyysikko ja tiedetoimittaja.jarmowallenius@hotmail.com14 KEMIA 7/2011