Ülijuht – mis see on ja kuidas see töötab

Ülijuht on aine, mis juhib elektrit ilma vastupanuta, kui see muutub teatud "kriitilisest temperatuurist" külmemaks. Sellel temperatuuril võivad elektronid materjali sees liikuda ilma tavalisele juhtmele iseloomuliku hajumiseta ja soojuskadu tekitamata. Ülijuhid erinevad tavalistest, isegi väga headest juhtidest: tavalised juhid kaotavad oma vastupanu järk-järgult, kui neid jahutada, kuid ülijuhtides kaob takistus järsult — see on näide faasiüleminekust. Suured magnetväljad või liiga suur vool võivad ülijuhtivuse hävitada, viies aine tagasi tavalisse juhtivasse olekusse.

Kuidas ülijuhtivus töötab lühidalt

Kuigi nähtus on keeruline, saab selle põhitõed kirjeldada lihtsustatult: väga madalatel temperatuuridel moodustuvad aines elektronipaarid, mida nimetatakse Cooper'i paarideks. Need paarid liiguvad läbi kristallvõre nii, et nad ei hajuta energiat ega kaota liikumise käigus impulssi — tulemuseks on nulltakistus. Selle nähtuse seletuseks on olemas teoreetiline raamistik (näiteks BCS-teooria), kuid uurimistöös on endiselt palju detaile, eriti kõrgtemperatuuriliste ülijuhtide puhul.

Meissneri efekt ja magnetilised omadused

Tavaliselt tekitab juhi liikumine magnetvälja ja see võib elektromagnetilise induktsiooni kaudu tekitada voolu. Kuid ülijuht surub seesoleva magnetvälja tegelikult välja, tekitades pinnavoolud, mis vastanduvad välisele väljale. Selle asemel, et magnetvälja läbi lasta, käitub ülijuht nagu tugevalt diamagnetiline objekt — see on Meissneri efekt. Meissneri efekt võimaldab demonstreerida ülijuhi hõljumist üle magnetite või magneti hõljumist üle ülijuhi.

Lisaks on olemas kaks tüüpi ülijuhtivust:

• Type I (I tüüpi) ülijuhid: täielikult tõrjuvad magnetvälja kuni kriitilise magnetvälja tugevuseni, seejärel kaovad ülijuhtivad omadused äkki.
• Type II (II tüüpi) ülijuhid: lubavad suuremate magnetväljade korral tekkida nn segustaadil (vortex-väljad), kus magnetvood voolavad läbi ülijuhi pisikestes kanalis. Need ained taluvad suuremaid välju ja on tehniliselt olulisemad paljudes rakendustes; siin on oluline nähtus nimega flux pinning, mis stabiliseerib hõljumist.

Põhimõisted: kriitilised suurused

Iga ülijuhi puhul on olulised mõned kriitilised parameetrid:

• Kriitiline temperatuur (Tc) — temperatuur, allapoole mille aine muutub ülijuhtivaks.
• Kriitiline magnetväli (Hc) — magnetvälja tugevus, mille juures ülijuhtivus hävib.
• Kriitiline vooltugevus või voolutihedus (Ic) — maksimaalne vool, mida ülijuht võtab vastu enne, kui ülijuhtivus laguneb.

Materjalid ja jahutus

Traditsioonilised ülijuhid olid puhtad metallid ja sulamid (näiteks elavhõbe, pli, niobium-tina). Alates 1986. aastast leiti nn kõrge-temperatuurilised ülijuhid (näiteks vaskeoksiidpõhised kupradid), mille Tc on piisavalt kõrge, et neid saaks jahutada odavama vedela lämmastikuga (77 K). Teisi huvitavaid klasse on rauapõhised ülijuhid ja erinevad keerukad keemilised ühendid. Jahutamiseks kasutatakse vedelat heeliumit, vedelat lämmastikku või tänapäeval üha enam tahkiskülmikuid (cryocoolers).

Praktilised rakendused

Ülijuhtivus on väga kasulik tehnilistes seadmetes, kus on vaja tugevaid ja efektiivseid magnetvälju või väikseid energiakaodeta vooluahelaid. Näited:

• MRI-tuvastussüsteemid (magnetresonantstomograafia) — võimsad ja stabiilsed magnetid.
• Kiirrongide ja maglev-süsteemide magnetid — hõljumis- ja tõukejõud.
• Elektrienergia jaotussüsteemid — ülijuhtivad kaablid, voolupiirajad ja transformeerijad, mis vähendavad kaod.
• Suure energia ja täpsusega sensorid (SQUID) — väga tundlikud magnetomeetrid.
• Osakestekiirendid ja laboriseadmed — tugevad kompaktsemad magnetid.
• Kvantarvutid — ülijuhtivad kubiidid on üks juhtivaid tehnoloogiaid.

Piirangud ja teadusuuringud

Peamised takistused laialdaseks kasutamiseks on jahutuse nõue (mida madalam on Tc, seda kallim jahutus) ja materjali tootmise keerukus (paljud kõrgtemperatuurilised ülijuhid on haprad keraamikad). Uuringud keskenduvad kõrgema Tc saavutamisele, paremate juhitavate lõimede valmistamisele, flux-pinningu parendamisele ning odavamate ja töökindlamate jahutussüsteemide väljatöötamisele.

Lihtsad demonstratsioonid ja ohutus

Levinud demonstratsioon on ülijuhi hõljumine üle magneti, mida tehakse sageli vedela lämmastiku abil jahutatud ülijuhtidega. See on mõjuv viis Meissneri efekti näitamiseks. Tuleb meeles pidada, et cryogeenidega (vedel lämmastik või heelium) töötamine nõuab ettevaatust: külmad vedelikud võivad põhjustada külmakahjustusi ning tugevad magnetväljad ja kiired voolud on ohtlikud, kui ei järgita ohutusnõudeid.

Kokkuvõttes on ülijuhtivus eriline kvantmehaaniline nähtus, millel on unikaalsed elektrilised ja magnetilised omadused ning suur potentsiaal tehnoloogiliste rakenduste jaoks. Selle laiem kasutuselevõtt sõltub peamiselt materjaliteadusest ja jahutuslahenduste edusammudest.

Küsimused ja vastused

K: Mis on ülijuht?

K: Mille poolest erineb ülijuht tavalisest juhist?

K: Millised on mõned näited ülijuhtide kohta?

K: Kuidas mõjutab magnet, mis liigub juhi juures, seda?

K: Mis on Meissneri efekt?

K: Kas suur magnetväli hävitab või suurendab ülijuhtivust?

Otsing