Suprajohtavuus (tai suprajohtavan) on ilmiö, tunnettu siitä, että puuttuminen sähkövastus ja karko- magneettikentän - Meissner vaikutus - tiettyjen materiaalien tunnetaan suprajohde .
Ensimmäinen historiallisesti löydetty suprajohtavuus, jota yleisesti kutsutaan tavanomaiseksi suprajohtavuudeksi, tapahtuu hyvin matalissa lämpötiloissa, lähellä absoluuttista nollaa ( −273,15 ° C ). Suprajohtavuus mahdollistaa erityisesti sähkön siirtämisen ilman energian menetystä. Sen mahdolliset sovellukset ovat strategisia.
Tavanomaisissa suprajohteissa monimutkainen vuorovaikutus tapahtuu atomien ja vapaiden elektronien välillä ja johtaa sitoutuneiden elektroniparien , nimeltään Cooper-parien, ilmestymiseen . Suprajohtavuuden selitys liittyy läheisesti aineen kvanttiominaisuuksiin . Vaikka elektronit ovat fermioneja , elektronipareja käyttäytyä kuten bosonit on spin yhtä kuin 0 kutsutaan singletti , ja on "tiivistetty" yhdeksi kvanttitilaa , muodossa Supranesteen Cooperin parien.
Samankaltainen suprajohtavuuden vaikutus on supernestevyys , joka luonnehtii virtausta ilman mitään vastusta, toisin sanoen pieni häiriö, joka altistuu tämän tyyppiselle nesteelle, ei koskaan lakkaa, samalla tavalla kuin Cooper-parit liikkuvat ilman vastusta suprajohteessa.
On myös muita materiaaliluokkia, joita kutsutaan yhteisesti "epätavanomaisiksi suprajohteiksi" (toisin kuin perinteisen suprajohtavuuden nimellisarvoksi), joiden ominaisuuksia ei selitetä BCS-teorialla . Erityisesti vuonna 1986 löydetyllä kupariryhmäluokalla (tai "korkean kriittisen lämpötilan suprajohteilla") on suprajohtavia ominaisuuksia paljon korkeammissa lämpötiloissa kuin perinteisillä suprajohteilla. Kuitenkin, mitä fyysikot kutsua "korkea lämpötila" on erittäin pieni verrattuna lämpötilat maanpinnalla (maksimi on, tai -140 ° C ), mutta ovat joskus lämpötilan yläpuolella typen nesteyttämisen. Sisään nestemäistä typpeä ja 77 K . Ensimmäinen suprajohtava aine huoneenlämpötilassa, joka on hydridi on hiili ja rikki , löydettiin vuonna 2020: T c = 287,7 ± 1,2 K (noin 15 ° C ), mutta alla paine on 267 ± 10 GPa (lähes paine keskellä maapallo).
Vaikka tämä aihe on ollut yksi kiinteän olomuodon fysiikan tutkituimmista aiheista 1990- luvun alusta lähtien, vuonna 2010 yksikään teoria ei kuvaa tyydyttävästi epätavanomaisen suprajohtavuuden ilmiötä. Teoria spin vaihtelut on yksi lupaavimmista ja mahdollistaa monien ominaisuuksien helium 3 , raskas fermioneja ja kupraatteihin voidaan toistaa . Tässä teoriassa pariliitos tehdään vaihtamalla spin-vaihtelut, mutta yksimielisyyttä ei ole vielä saavutettu. Tämä teoria voi myös auttaa selittämään rautapohjaisten suprajohteiden suprajohtavuutta.
Ilmiön löysi vuonna 1911 hollantilainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes ja hänen tiiminsä, joka koostui Gilles Holstista, Cornelis Dorsmanista ja Gerit Flimistä. Kamerlingh Onnes oli onnistuneesti nesteyttänyt heliumia ensimmäistä kertaa vuonna 1908, minkä ansiosta hän pystyi suorittamaan fyysisiä mittauksia jopa 1,5 K: n (-271,6 ° C) lämpötiloihin. Sitten hän suoritti ohjelman systemaattisista aineen ominaisuuksien mittauksista hyvin matalissa lämpötiloissa, erityisesti metallien sähköisen vastuksen mittaamisen. 8. huhtikuuta 1911, ryhmä mittaa, että elohopean sähköinen resistanssi (tai sähköinen vastus ) tulee nollaksi tietyn lämpötilan, jota kutsutaan kriittiseksi lämpötilaksi T c , luokalle 4,2 K elohopealle. Tämä on suprajohtavan tilan ensimmäinen havainto, vaikka se voitaisiin tällä hetkellä sekoittaa ihanteelliseen johtimeen. Huhu kertoo löytön ansiot Gilles Holstille (K. Onnesin opiskelija), mutta myöhemmin löydetty kokemusmuistikirja, jonka kirjoitti Kamerlingh Onnes itse, osoittaa, että jälkimmäinen oli todellakin komentajana kokemuksesta sinä päivänä, Gilles Holst mittaa sähkövastus Wheatstone Bridge -sillan , Cornelis Dorsmanin ja Gerit Flimin kanssa, jotka käsittelevät kryogeenian näkökohtia. Kaikesta työstään heliumin nesteytyksessä ja nestemäisen heliumin käytöstä Kamerlingh Onnes sai Nobelin fysiikkapalkinnon vuonna 1913.
Kokeiluja monia muita elementtejä mukaan jotkut ovat suprajohtavuus ja toiset eivät: 1922, erityisesti, johtaa ajan -266,15 ° C ; ja vuonna 1941 niobiumnitridi 16 K.
Vuonna 1933 Meissner ja Ochsenfeld löysivät suprajohtavan tilan toisen ominaisuuden, tosiasian, että se torjuu magneettikentän, joka tunnetaan nimellä Meissner-ilmiö . Vuonna 1935 veljet Fritz ja Heinz London osoittivat, että Meissner-vaikutus on seurausta suprajohtavan virran kuljettaman vapaan energian minimoinnista.
Vuonna 1950 todettiin, että kriittinen lämpötila riippuu isotooppimassasta.
Lev Landau ja Vitali Ginzburg kehittivät vuonna 1950 jälleen niin kutsutun Ginzburg-Landau- fenomenologisen teorian . Tämä teoria selittää suprajohteiden makroskooppiset ominaisuudet lähellä niiden vaihesiirtymistä Schrödinger-yhtälön avulla . Erityisesti Aleksei Abrikosov osoittaa, että tämän teorian avulla voimme ennustaa kahden suprajohtavan luokan (tyypit I ja II) olemassaolon. Abrikosov ja Ginzburg saavat Nobel-palkinnon vuonna 2003 tästä työstä (Landau kuoli 1968 ).
Vuonna 1957 hollantilainen kemisti löysi ensimmäisen orgaanisen ja synteettisen suprajohtavan aineen, ditetrametyylitraselenofulvaliiniheksafluorifosfaatin, .
Täydellinen teoria suprajohtavuus ehdotettiin 1957 mennessä John Bardeen , Leon Cooper ja John Schrieffer . Tunnetaan nimellä BCS-teoria (nimikirjaimiensa jälkeen), se selittää suprajohtavuuden muodostamalla elektronipareja (Cooper-pareja), jotka muodostavat sitten bosoneja ja mahdollistavat kondensaation. Tämän teorian mukaan elektronien pariutuminen tapahtuu niiden välisen houkuttelevan vuorovaikutuksen ansiosta, joka johtuu niiden kytkeytymisestä fononeiksi kutsutun verkon värähtelyihin . Työstään kirjoittajat saavat fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1972 .
Vuonna 1959 Gorkov osoitti, että BCS-teoria voidaan supistaa Ginzburg-Landau-teoriaan suprajohtavuuden kannalta kriittisen lämpötilan läheisyydessä.
Vuonna 1962 Westinghouse markkinoi ensimmäisiä suprajohtavia johtoja ( niobium-titaaniseoksessa ). Samana vuonna Brian Josephson ennustaa teoreettisesti, että virta voi virrata ohuen eristimen läpi, joka erottaa kaksi suprajohtoa. Tätä ilmiötä, jolla on hänen nimensä ( Josephsonin vaikutus ), käytetään SQUID-kalvoissa . Näitä laitteita käytetään erittäin tarkkojen h / e- mittausten tekemiseen ja yhdessä kvantti-Hall-efektin kanssa Planckin vakion h mittaamiseen . Josephson saa Nobel-palkinnon vuonna 1973 .
Vuonna 1979 , Frank Steglich vahvistaa läsnäoloa suprajohtavan vaiheen CeCu 2 Si 2, materiaali, joka koostuu magneettisista atomista ja jonka elektronit ovat niin korreloineet, että niiden tehollinen massa saavuttaa toisinaan satoja kertoja vapaan elektronin massan . Nämä ominaisuudet ovat niin erilaisia kuin tavanomaisten suprajohteiden ominaisuuksissa, joten muodostuu uusi luokka: raskaat fermionit . Muita aineksia tämän perhe oli jo tutkittu BT Matthias vuonna 1960 , mutta ilman vakuuttavia tiedeyhteisössä.
Vuonna 1986 , Johannes Bednorz ja Karl Muller löydetty suprajohtavuus -238,15 ° C: ssa on kupari perovskiitti rakenteellisia materiaaleja , joka perustuu lantaani ( Nobelin fysiikan 1987 ). Tämä löytö herättää etsimään materiaaleja, joilla on yhä korkeampi kriittinen lämpötila.
Hyvin nopeasti tutkijat huomaavat, että tämän materiaalin kriittinen lämpötila nousee paineen myötä. Korvaamalla lantaani yttriumilla , toisin sanoen tuottamalla yhdiste YBa 2 Cu 3 O 7, kriittinen lämpötila nousee -181,15 ° C: seen ylittäen nestemäisen typen lämpötilan ( 77 K ). Tämä on erittäin tärkeää, koska nestemäistä typpeä tuotetaan teollisesti alhaisin kustannuksin, ja sitä voidaan tuottaa jopa paikallisesti. Myöhemmin tuotetaan monia suprajohtavia kuparia , mutta tämän suprajohtavuuden mekanismit ovat vielä löydettävissä. Valitettavasti nämä materiaalit ovat keramiikkaa, eikä niitä voida työstää helposti. Lisäksi ne menettävät helposti suprajohtavuutensa voimakkailla magneettikentillä, ja siksi sovellukset ovat kauan myöhässä. Tutkimus vähentää kentän herkkyyttä ja lisää kriittistä lämpötilaa. Nestemäisen typen lämpötilan jälkeen toinen taloudellinen (ja psykologinen) kynnysarvo on kuivajää , 195 K ( -78,5 ° C ).
31. toukokuuta 2007, ranskalais-kanadalainen fyysikkoryhmä julkaisee tutkimuksen Nature- lehdessä, joka CNRS- lehdistötiedotteen mukaan mahdollistaisi merkittävän ymmärryksen näistä materiaaleista.
Tokion teknillisen korkeakoulun professori Hosonon ryhmä ilmoitti tammikuussa 2008 uuden suprajohtavien luokkien olemassaolosta: pniktidit ROFeAs-tyyppi (jossa R on harvinainen maametalli) seostettu fluorilla hapen kohdalla. Maksimi kriittinen lämpötila -245,15 ° C . Tämä löytö on yllättävä, koska rautaa on suprajohteessa, jolla on niin korkea kriittinen lämpötila. SisäänElokuu 2008, näyttää olevan yksimielisyys siitä, että raudalla on tärkeä rooli näiden materiaalien suprajohtavuudessa. On julkaistu satoja teoksia, jotka osoittavat tiedeyhteisön innostuksen tästä löydöksestä. Tietyt ryhmät ilmoittavat kriittisen maksimilämpötilan luokkaa -217,15 ° C , jos R on ei-magneettinen harvinainen maametalli. LoppuToukokuu 2008, professori Johrendtin ryhmä Münchenin yliopistosta , raportoi suprajohtavuuden yhdisteessä Ba 0,6 K 0,4 Fe 2 As 2, Kun kriittinen lämpötila T c on noin -235,15 ° C: ssa . Tällä yhdisteellä on kristallografinen rakenne hyvin lähellä LaOFeAs: n rakennetta. Tämä löytö on tärkeä, koska se osoittaa, että hapella ei ole merkitystä tämän uuden suprajohtavien luokan suprajohtavuusmekanismissa. Magneettiset ominaisuudet näyttävät olevan mukana, kuten kupareissa.
Vuonna 2014 yksi vuonna 2009 löydetyistä rautapohjaisista suprajohteista , FeSe, palasi uutisiin. Vaikka sen matalaa kriittistä lämpötilaa (noin 10 K) ei pidetty silloin kovin mielenkiintoisena, ymmärrämme, että kasvattamalla ohut kerros (yhden atomipaksuuden) SrTiO 3 -alustalla, saavutamme kriittisen lämpötilan, joka on yli 100 K ja siten korkeampi kuin kaikkien muiden rautapohjaisten suprajohteiden lämpötila. Tämä löytö tasoittaa tietä ohutkalvoisille suprajohteille sekä monimutkaisten materiaalien synteesille.
Vuonna 2016, jonka kriittinen lämpötila on yli 200 K havaittiin rikin hydridi . Teoristi Neil Ashcroft ennusti tämän havainnon ilmeisesti sattuman takia jo vuonna 1968 tavanomaisen suprajohtavuuden perusteella. Koe vaati kuitenkin erittäin voimakkaan, yli 50 GPa: n paineen asettamista .
Suprajohde on materiaali, jolla on jäähdytetty kriittisen lämpötilan T c alle , sillä on kaksi ominaisuutta, jotka ovat:
Näiden kaikille tavanomaisille suprajohteille yhteisten ominaisuuksien olemassaolo mahdollistaa superjohtavuuden määrittelemisen vaihesiirtymän tuloksena . Tutkimus suprajohteiden fysikaalisten ominaisuuksien vaihteluista niiden siirtyessä suprajohtavaan tilaan vahvistaa tämän ja vahvistaa, että suprajohtava siirtymä on todellinen vaihesiirtymä .
Suprajohteen, jonka läpi kulkee rajoitettu virta, täydellinen sähkövastuksen puuttuminen on ilmeisesti heidän tunnetuin ominaisuutensa, ja lisäksi tämä antoi nimensä ilmiölle. Teoriassa nämä virrat voivat virrata loputtomiin. Käytännössä virrat ovat kiertäneet jo yli 25 vuotta (4. elokuuta 2020) suprajohtavissa gravimetreissä , joissa 4 g: n pallo levitoi suprajohtavien kelojen parin muodostamassa magneettikentässä.
Meissner-ilmiö, joka on nimetty Walther Meissnerin mukaan, joka löysi sen Robert Ochsenfeldin seurassa vuonna 1933 , on se, että ulkoiselle magneettikentälle altistunut näyte karkottaa sen, kun se on jäähtynyt kriittisen lämpötilan alle, edellisestä tilastaan riippumatta.
Mukaan Maxwellin yhtälöt , tai ainetta nolla vastus, magneettikenttä on pysyttävä koko ajan samana. Meissner-vaikutuksen olemassaolo osoittaa kuitenkin, että suprajohtavuus ei tarkoita vain äärettömän johtavuuden olemassaoloa.
Kokeellisesti Meissner-vaikutus näkyy jäähdyttämällä suprajohtava näyte kriittisen lämpötilan alapuolella magneettikentän läsnä ollessa. Sitten on mahdollista osoittaa, että näytteen sisällä oleva magneettikenttä on nolla, kun taas hypoteettisen täydellisen johtimen osalta sen pitäisi olla yhtä suuri kuin siirtymän aikana käytetty magneettikenttä.
Huomaa : Jotkut suprajohteet, jotka tunnetaan nimellä tyyppi II , osoittavat Meissner-vaikutusta vain matalille magneettikentän arvoille, kun taas ylijohteet ovat suuremmilla arvoilla ( katso alla ).
Ginzburgin ja Landaun vuonna 1950 kehittämä teoria esittelee suprajohtavuutta kuvaavan monimutkaisen järjestysparametrin ψ ( r ) Landaun toisen asteen vaihesiirtymien teorian yleisissä puitteissa. Tämän parametrin fyysinen merkitys on se, joka on verrannollinen suprajohtavien elektronien ( ts . Cooper-parien muodostavien elektronien) tiheyteen . Lähtökohtana teoria on, että vapaan energian tiheys f t voidaan kehittää useita järjestyksessä parametrin lähellä suprajohtavan siirtyminen seuraavassa muodossa:
missä f n0 on vapaan energian tiheys normaalitilassa nollakentässä, A on vektoripotentiaali ja B on magneettisen induktion paikallinen voimakkuus.
Toinen ja kolmas termi ovat toisen asteen laajennus ryhmässä | ψ | Kuten kuviosta 2 nähdään, kolmannen voidaan nähdä muuttumattomana kineettisenä energiamittarina, joka liittyy "suprajohtaviin varauksen kantajiin", massa m * ja varaus q *, kun taas neljäs on yksinkertaisesti magneettisen energian tiheys.
Suprajohtavassa tilassa, kentän ja kaltevuuksien puuttuessa , edellisestä yhtälöstä tulee:
β on välttämättä positiivinen, koska muutoin vapaalle energialle ei olisi olemassa globaalia minimia eikä siis tasapainotilaa. Jos α> 0 , minimi tapahtuu for = 0 : materiaali on normaalissa tilassa. Mielenkiintoinen tapaus on siis tapaus, jossa α <0 . Sitten meillä on tasapainossa, joten:
Tyypin I suprajohde on suprajohde, jolla on yksi kriittinen magneettikenttä. Sillä on ominaisuus karkottaa mahdollinen ulkoinen magneettikenttä, ja sitä esiintyy kahdessa tilassa riippuen kriittisestä lämpötilasta ja kriittisestä magneettikentästä:
Tyypin II suprajohde on suprajohde, jolla on kaksi kriittistä magneettikenttää. Se löytyy useista tiloista lämpötilan ja kriittisten magneettikenttien mukaan:
Tämä teoria perustuu metallin elektronien kytkemiseen pareittain: Cooper-parit . Ne muodostavat yhden, yhtenäisen pienemmän energian tilan kuin normaalin metallin, parittamattomilla elektronilla.
Ongelmana on selittää tämä pariliitos ottaen huomioon Coulombin hylkääminen . Yksinkertainen laadullinen malli koostuu huomioon elektronien metallin kanssa vuorovaikutuksessa kidehilan muodostettu positiivinen ionien . Nämä houkuttelevat elektroneja ja liikkuvat hieman (positiivisilla ioneilla on suuri inertia ). Fyysikot ovat antaneet fononien nimen näille luonnollisille atomivärähtelyille. Tämä elektronien ja fononien välinen vuorovaikutus on lähtöisin resistiivisyydestä ja suprajohtavuudesta: elektronin erittäin nopea kulku ( 106 m / s ) vetää puoleensa ionit liikkuvat ja luovat paikallisen sähköisesti positiivisen vyöhykkeen. Inertian vuoksi tämä vyöhyke jatkuu, kun elektroni on kulunut, ja voi houkutella toisen elektronin, joka on siten fononin kautta pariksi edellisen kanssa Coulombin karkotuksesta huolimatta. Terminen sekoitus lopulta tuhoaa tämän herkän tasapainon, minkä vuoksi lämpötilan haitallinen vaikutus suprajohtavuuteen.
Cooper-parien erikoisuus on, että niiden luonnollinen magneettinen momentti (jota kutsutaan myös pyörimiseksi ) on nolla. Itse asiassa kahdella parillisella elektronilla on sama spin (1/2, fermionien ominaispiirre ), mutta ne ovat vastakkain. Tämä on edellytys sille, että parin energia on pienempi kuin kahden elektronin energioiden summa. Sitten ne muodostavat kokonaisuuden, joka käyttäytyy bosonin tavoin (koko spin-hiukkanen, joka noudattaa Bose-Einstein-tilastoa): parit liikkuvat kohtaamatta vastarintaa, joten suprajohtavuus.
Ero energian välillä suprajohtavan tilan ja normaali tila on nimeltään energia aukko . Se on energia, joka tarvitaan siirtymiseen suprajohtavasta tilasta normaalitilaan hajottamalla Cooper-parit. Tämä energia pyrkii kohti nollaa, kun lämpötila on kohti kriittistä lämpötilaa.
Elektroni-phonon-vuorovaikutuksella on olennainen rooli elektronien pariliitoksessa ja siten suprajohtavuudessa.
Tämä teoria kehitettiin ennen kriittisten korkean lämpötilan suprajohtavien materiaalien löytämistä. Sitten herää kysymys: ovatko korkean T c: n suprajohteet ristiriidassa BCS-teorian kanssa? Teoreetikot eivät ole samaa mieltä tästä aiheesta. Jotkut ovat sitä mieltä, että elektronien välinen kytkentä ei johdu enää verkosta (siis foneoneista), vaan muista vuorovaikutuksista (elektroninen, magneettinen, molemmat jne.). Toiset tarjoavat täysin uusia malleja. Aihe on edelleen auki ...
Jotkut fyysikot määrittelevät perinteiset suprajohteet sellaisiksi, joita BCS-teoria kuvaa hyvin. Toiset, tarkemmin sanottuna, määrittelevät niiden olevan Cooper-parinmuodostusmekanismi, johon liittyy elektronien ja fononien välinen vuorovaikutus.
Viime aikoina (2015) onnistuimme löytämään tavanomaiset suprajohteet, joilla on korkea kriittinen lämpötila (203 K tai -70 ° C), mutta erittäin korkealla, noin miljoonan baarin paineella .
Epätavanomaiset suprajohteet (joita joskus kutsutaan "eksoottisiksi" tai "uusiksi suprajohteiksi") viittaavat laboratoriossa usein keinotekoisesti syntetisoitaviin materiaaleihin, joita ei voida kuvata BCS-teorian avulla tai joiden suprajohtavuuden alkuperää ei ole vielä teoriassa ymmärretty. Ne eroavat tavanomaisista suprajohteista erityisesti mekanismin suhteen, jolla syntyy suprajohtavuudesta vastuussa olevien elektroniparien, tunnettujen Cooper-parien muodostuminen.
Useita materiaaliperheitä pidetään epätavanomaisina: raskaat fermionit , orgaaniset tai molekyyliset suprajohteet ( Bechgaard-suolat ), kuparit tai kuvakuvat . Vuonna 2017 yhden kiteet suprajohtavien vismutin on osoitettu alle 0,53 mK huoneenlämpötilassa paineessa, kriittisen magneettikentän arviolta 5,2 mT ja -273,15 ° C: seen . Vismutin suprajohtavuutta ei voida selittää BCS-teorialla, koska adiabaattinen lähentäminen ei ole siihen sovellettavissa, ja aiheuttaa ongelman materiaalien suprajohtavuudesta, jolla on alhainen kantotiheys ja erityinen kaistarakenne .
Tietyillä materiaaliperheillä on suprajohtavuus korkeammassa lämpötilassa kuin seoksilla tai metalleilla, mutta joiden alkuperän selittää BCS-teoria : AnC60-tyyppiset fullereenit (missä A on alkali ), joiden kriittinen lämpötila nousee arvoon 33 K , tai magnesiumdiboridi MgB 2jonka kriittinen lämpötila nousee 39 K: seen . Siksi ne eivät ole suppeasti supersankareissa, mutta ne erotetaan silti tavanomaisista suprajohteista.
Tähän mennessä tutkituimmat epätavanomaiset suprajohteet ovat kuperaatteja, jotka Johannes Georg Bednorz ja Karl Alexander Müller löysivät vuonna 1985 . Nämä ovat keraamisia oksideja, jotka koostuvat bariumin, lantaanin ja kuparin sekoitetuista oksideista ja joiden kriittinen lämpötila on noin 35 K ( -238 ° C ). Tämä lämpötila oli paljon korkeampi kuin korkeimmat tuolloin tunnetut kriittiset lämpötilat ( -250,15 ° C ); tätä uutta materiaaliperhettä kutsuttiin korkean lämpötilan suprajohteeksi . Bednorz ja Muller vastaanotettu 1987 Nobelin fysiikan niiden löytö.
Siitä lähtien on syntetisoitu monia muita korkean lämpötilan suprajohteita. Jo vuonna 1987 suprajohtavuus saavutettiin -196,15 ° C : n yläpuolella, typen kiehumispiste , mikä on erittäin tärkeää tekniikan sovelluksissa, koska nestemäinen typpi on paljon halvempi kuin siihen asti käytetty helium . Esimerkki: YBa 2 Cu 3 O 7T c = -181,15 ° C .
Ennätyksellinen kriittinen lämpötila on noin 133 K (-140 ° C) normaalipaineessa, ja korkeammissa paineissa voidaan saavuttaa hieman korkeammat lämpötilat. Tämänhetkisen tutkimustilan perusteella ei voida tietää, pystymmekö jonain päivänä hankkimaan suprajohtavaan kuprokseen perustuvaa materiaalia huoneenlämmössä.
Omaisuutta Supranesteen heliumin lämmönjohtamiseksi kärsimättä syyksi on samanlaisia mekanismeja; sen sanotaan olevan terminen suprajohde .
Sisään kesäkuu 2019, joukko tutkijoita New Yorkin yliopistosta julkaisee artikkelin julkaisua edeltävässä tieteellisessä lehdessä Arxiv , jossa he ilmoittavat löytäneensä uuden suprajohtavuuden muodon, nimeltään "topologinen". Tämä uusi teorian kehitys liittyy läheisesti Majoranan hiukkasiin , ja se voi mahdollistaa merkittävän etenemisen tietojen tallennusmahdollisuuksissa ja tietovälineiden laskentatehossa.
Suprajohtavien sähkömagneettien tuotanto on varmasti yleisin suprajohtavuuden sovellus. Ne löytyvät kentiltä:
Suprajohtava kela on kytketty verkkoon reversiibelin AC-DC-muunnin. Käämi toimitetaan tasasuuntaajalla, joka sallii energian varastoinnin muodossa ½ L × I 2 . Tarvittaessa (johtohäiriö) suprajohtavaan kelaan varastoitu energia siirretään taajuusmuuttajan kautta takaisin laitteistoon. Ranskassa suurimmat prototyypit (useita satoja kJ) tuotettiin Grenoblessa , Institut Néelin Lauhdutettu aine - matalat lämpötilat -osastolla yhteistyökumppaneiden kuten DGA: n ja Nexansin avulla.
Suprajohteiden levitaatio- ominaisuutta voidaan käyttää myös energian varastointiin . Tämä pätee pyörivän kineettisen energian akkuihin ( vauhtipyörällä , englanniksi vauhtipyörällä ). Näissä sovelluksissa magneettipyörä sijoitetaan levitointiin suprajohtimen yläpuolelle. Pyörää pyöritetään (mieluiten tyhjiössä kitkan minimoimiseksi) moottorilla (latausvaihe). Kun pyörä on "kuormitettu", se säilyttää energian pyörimiskineettisen energian muodossa pienellä häviöllä, koska kitkaa ei ole lainkaan. Energiaa voidaan palauttaa jarruttamalla pyörää.
SMES ( Superconducting Magnet Energy Storage ) ja vauhtipyörä ovat siis kaksi teknistä ratkaisua, jotka voivat korvata perinteisen akun , vaikka kryogeenisten lämpötilojen ylläpitäminen on energiaintensiivistä.
Hallitun lämpöydinfuusion aikaansaamiseksi: tokamakit tai stellaraattorit ovat toroidikoteloita, joiden sisällä plasmat ovat suljettuina huomattavissa paineissa ja lämpötiloissa.
Suprajohtavuutta käytetään myös radiotaajuutta kiihdyttävien onteloiden valmistukseen, jotka mahdollistavat varastoidun ja vahvistetun sähkökentän, jonka tarkoituksena on kiihdyttää varattujen hiukkasten sädettä. Kiihtyvien kenttien saamiseksi luokkaa 45 MV / m (melkein 100 MV / m lähellä pintaa), onteloon on injektoitava radiotaajuinen aalto . Nykyinen tiheydet suuruusluokkaa 10 10 ja 10 12 A / m 2 kiertävät sisäisen ontelon pinnalle ja aiheuttaa seinät lämmittää. Emme pystyneet saamaan niin korkeita kenttiä jatkuvasti normaalilla johtimella: seinät alkavat sulaa. Radiotaajuuksissa suprajohtimen vastus ei ole ehdottomasti nolla, mutta se pysyy noin 100 000 kertaa pienempi kuin kuparin, joten tämän tekniikan pääintressinä onteloiden kiihdyttäminen. Mutta tämä ei ole ainoa etu: suprajohtavien onteloiden käyttö vaikuttaa myös kiihdyttimen suunnitteluun ja saatujen palkkien laatuun. Esimerkiksi niiden avoimemmat muodot helpottavat palkin kohdistamista; kun tämä on tehtävä useita kymmeniä kilometrejä, siitä tulee merkittävä argumentti.
Materiaali on atomien verkosto. Jos verkostamme atomien sijaan pieniä suprajohtavia piirejä, lopputulos on metamateriaali , jonka ominaisuudet ovat yllättäviä.
Seurauksena tekemän työn Ado Jorio on valon sironta eri materiaaleja (on Federal University Minas Gerais on Belo Horizonte , Brasilia), suprajohtavuus-käyttäytyminen havaittiin fotonit, mikä viittaa mahdollisen yhteyden valonsironta, kondensoidaan ainefysiikka ja kvanttioptiikka . Tässä tapauksessa elektronien " Cooper-parien " sijasta havaittiin fotonipareja (huoneenlämpötilassa, kun valo kulkee läpinäkyvien nesteiden, mukaan lukien vesi, läpi. ) Niitä on vaikea havaita, mutta André Saraivan mukaan tämä olisi yleinen ilmiö. Fotoni voi menettää energiaa värähtelevän materiaalin atomiin. Jos toinen fotoni absorboi välittömästi tämän värähtelyenergiapaketin, nämä kaksi fotonia kytkeytyvät epäsuorasti "toisiinsa" saaden toisen menetetyn energian. Tämän ilmiön rinnakkaisuuden aste suprajohtavuuden ja sen virtuaalisten fononien kanssa on vielä vahvistamatta. Ja koska fotonit ovat paljon vähemmän vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa kuin elektronit, tällä ilmiöllä pitäisi olla etukäteen enemmän erillisiä vaikutuksia kuin elektronien tapauksessa; se herätti nopeasti spekulaatiota. Todellakin, mukaan matemaattinen malli perustettu tutkijat UFRJ, kun fotonit ovat vuorovaikutuksessa tällä tavalla niiden käyttäytyminen on samanlainen kuin Cooperin parien Suprajohteen. Todiste näiden parien olemassaolosta saatiin analysoimalla huoneen lämpötilassa olevien laserpulssien vaikutuksia vedessä ja seitsemässä muussa läpinäkyvässä nesteessä. Näitä pareja on kymmenen kertaa enemmän kuin pelkkä sattuma johtaisi.
On vielä vahvistettava ilmiö toistamalla koe ja vertaamalla sitä kvanttioptiikassa ja tiivistetyn aineen fysiikassa käytettävissä olevaan tietoon .
Jos saadaan vahvistus, olisi mahdollista tuottaa " sotkeutuneita " fotoneja huoneenlämmössä ja esimerkiksi vedestä. Jälkimmäiset voisivat tietyissä olosuhteissa muodostaa ylivirtauksia, jotka antavat valon kulkeutua paremmin tiettyjen materiaalien läpi (esimerkiksi tehokkaamman kvanttiviestinnän hyväksi tulevaisuuden tietokoneissa). Sitten niitä voidaan ehkä käyttää myös "materiaalin tällä hetkellä näkymättömien ominaisuuksien paljastamiseen" ja erilaisiin käyttötarkoituksiin (mukaan lukien kvantti- ja tietokonekoodaus).