Arkistoitu

Risto Nieminen: Suprajohtavuus


Vuonna 1911 hollantilainen fyysikko Heike Kammerlingh Onnes onnistui nesteyttämään erilaisia kaasuja, niistä alimmassa lämpötilassa kevyen jalokaasun heliumin (He). Samalla hän tuli tehneeksi ihmeellisen löydön: metallinen elohopea menetti kaiken sähkövastuksensa seitsemän asteen lämpötilassa absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, siis 266 asteen pakkasessa. Siitä tuli suprajohde.

Tämä oli täysin odottamatonta, vähän kuin olisi löydetty ikiliikkuja. Itse asiassa suprajohtavassa renkaassa kulkeva sähkövirta kiertää periaatteessa ikuisesti, häviöttä.

Ilmiötä ei osattu selittää. Kvanttifysiikka oli vasta tulollaan, eikä aineksia kunnon teorian rakentamiseen ollut.

Modernin fysiikan alkaessa vakiinnuttaa asemansa monet johtavat fyysikot kävivät suprajohtavuuden kimppuun kehittääkseen sille järkeenkäyvän teorian. Saatuaan suhteellisuusteoriat valmiiksi Albert Einstein yritti, samoin kuin kvanttifysiikan jättiläiset Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli ja Enrico Fermi, mutta tuloksetta. Eikä teorian kehittäminen onnistunut myöhemmin edes Richard Feynmanilta.

Suprajohtavuuden arvoitus sai lisävaloa, kun saksalaiset Walther Meissner ja Robert Ochsenfeld havaitsivat toisen siihen liittyvän merkillisen ilmiön. Suprajohteen sisällä magneettikenttä on tarkalleen nolla, sen ulkopuolella vallitsevan kentän voimakkuudesta riippumatta. Vieläpä niin, että normaalin metallin sisältä magneettikenttä aina häviää, kun kappale jäähdytettäessä muuttuu suprajohtavaksi. Tämä Meissnerin ilmiöksi kutsuttu havainto kertoo, että suprajohteet ovat muutakin kuin vain täydellisiä johteita.

Kokeissa saatiin myös selville, että suprajohtavan tilan ja normaalitilan välillä on ”energia-aukko”: elektronit ovat ikään kuin loukussa suprajohtavassa tilassa. Kolmas mielenkiintoinen havainto oli nk. isotooppiefekti: saman metallin eri atomipainoiset isotoopit tulevat suprajohtaviksi eri lämpötiloissa. Tämä viittasi siihen, että metalliatomien värähtelyillä oli tärkeä rooli suprajohtavuuden selittämisessä.

Suprajohdemalli

Elektronit hylkivät toisiaan samanmerkkisten varaustensa takia. Tärkeä askel teorian kehittämisessä otettiin, kun David Pines osoitti, että atomihilassa liikkuvien elektronien välillä voi hetkellisesti olla puoleensa vetävä, atomien (ionien) värähtelyjen välittämä voima. Kun elektroni kulkee hilassa, se vetää positiivisesti varattuja metalli-ioneja hieman puoleensa. Syntyy pieni, hetkellinen positiivisen varauksen aallonharja. Se vetää muita lähialueella kulkevia elektroneja puoleensa, ja yhteisvaikutus on sama kuin elektronien välillä olisi hetken aikaa pieni, puoleensa vetävä voima.

David Pines oli vuonna 1955 juuri valmistunut tohtori Illinoisin yliopistossa USAssa. Hänen professorinsa oli John Bardeen, mm. yhtenä transistorin keksijöistä jo mainetta niittänyt fyysikko. Hän kokosi seuraavana vuonna ympärilleen kolmen hengen tiimin kehittämään suprajohtavuuden teoriaa. Leon Cooper tuli tutkijatohtoriksi ja Robert Schrieffer jatko-opiskelijaksi, David Pinesilta vapautuneelle paikalle. Kolmikko työskenteli intensiivisesti ja sovitti lopulta palat kohdalleen. Bardeen loi perusideat. Leon Cooper osoitti, että heikko puoleensa vetävä voima metalleissa sitoo elektronit toisiinsa, pareiksi. Näitä ruvettiin sittemmin kutsumaan Cooperin pareiksi. Robert Schrieffer näytti, miten Cooperin parit kondensoituvat uuteen perustilaan, kvanttinesteeksi. Elektroniparit kuljettavat virtaa häviöttä ja toimivat täydellisenä diamagneettina, hävittävät magneettikentän suprajohteen sisältä.

Tulos julkaistiin vuonna 1957 ja sai tekijöidensä nimien etukirjainten mukaan nimen BCS-teoria. Se särki lähes 50 vuotta vanhan, kovaksi osoittautuneen pähkinän. Teoria oli perusideoiltaan selkeä, mutta matemaattisesti kohtuullisen monimutkainen. Suprajohtavuus oli selätetty, vaikka yksittäisiä materiaaleja koskevat tarkat ennusteet ovat edelleenkin hankalia ja työläitä. Keskeinen idea on se, että hilavärähtelyjen välittämä heikko vetovoima metallin nopeimmin liikkuvien (nk. Fermi-pinnalla liitelevien) elektronien välillä saa ne pariutumaan. Bosonien kvanttistatistiikkaa noudattavat parit tiivistyvät suprajohtavaan tilaan.

Nobel-palkinto tuli BCS-kolmikolle vuonna 1972. Se oli Bardeenille jo toinen, sillä hänet oli yhdessä Walter Brattainin ja William Shockleyn kanssa palkittu vuonna 1956 transistorin keksimisestä. Bardeen on ainoa ihminen, jolle tiede-Nobel on myönnetty kahdesti. BCS-teoria soveltuu myös muihin fysikaalisiin systeemeihin. Sillä on käyttöä mm. heliumin suprajuoksevuuden ja pyörivien neutronitähtien ilmiöiden selittämisessä.

Suprajohtavuuslämpötilat ovat yleensä hyvin alhaisia, korkeimmillaankin vain parikymmentä astetta. Suuri yllätys koettiinkin vuonna 1987, kun Georg Bednorz ja Alex Müller raportoivat aivan uudenlaisista, kuparioksideihin perustuvista keraamisista suprajohteista yli sadan asteen lämpötilassa. Siitä alkoi kiihkeä tutkimus ja kuumeinen kilpailu.

Näitä materiaaleja ryhdyttiin kutsumaan korkean lämpötilan suprajohteiksi tai HTC (High Critical Temperature)-suprajohteiksi. Kävi pian ilmi, että ne eivät sopineet BCS-teorian muottiin: kyseessä oli aidosti uudenlaisia piirteitä sisältävä ilmiö. Korkean lämpötilan suprajohtavuus on myös hyvin monipiirteinen ilmiö, ja sen yksityiskohtien selvittämiseen on käytetty isoa joukkoa erilaisia kokeellisia mittausmenetelmiä. Kuparioksidit ovat myös hyvin hankalasti valmistettavia ja hallittavia, ja pienilläkin epäpuhtaus- ja valmistusvirheillä on vaikutuksensa.

Teoreetikoille korkean lämpötilan suprajohtavuus on innostava haaste ja taas kova pähkinä purtavaksi. Kaksikymmentä vuotta on kulunut, mutta toimivaa ja yleisesti hyväksyttyä teoriaa ilmiölle ei vielä ole. Ehdokkaista ei ole pulaa, mutta BCS-teorian kaltaista ilmeistä selitystä ei ole löytynyt. Lähtökohta on myös vaikeampi, koska normaalitila ei ole yksinkertainen metalli vaan itseasiassa antiferromagneettinen eriste. Nobel-palkinto odottaa sitä, joka pystyy HTC-suprajohteet kunnolla selittämään.

Suprajohtavuuden eri ilmenemismuodot ovat tavattoman rikas fysiikan tutkimusalue. Ilmiöllä on myös paljon teknisiä sovelluksia, magneettisista kuvantamislaitteista ja levitoivista luotijunista ultraherkkiin antureihin ja mikroelektroniikan komponentteihin. Ne ovat makroskooppista kvanttimekaniikkaa käytännössä.

Risto Nieminen Akatemiaprofessori Risto Nieminen on Teknillisen korkeakoulun laskennallisen nanotieteen huippuyksikön COMP:n ja Teoreettisen fysiikan pohjoismaisen laitoksen NORDITA:n johtaja. Vapaa-aikanaan Risto viihtyy luonnossa esimerkiksi vaeltaen ja meloen.

Kommentoi [3]

David Pines oli vuonna 1955 juuri valmistunut tohtori Illinoisin yliopistossa USAssa. Hänen professorinsa oli John Bardeen, mm. yhtenä transistorin keksijöistä jo mainetta niittänyt fyysikko. Hän kokosi seuraavana vuonna ympärilleen kolmen hengen tiimin kehittämään suprajohtavuuden teoriaa. Leon Cooper tuli tutkijatohtoriksi ja Robert Schrieffer jatko-opiskelijaksi, David Pinesilta vapautuneelle paikalle. Kolmikko työskenteli intensiivisesti ja sovitti lopulta palat kohdalleen. Bardeen loi perusideat. Leon Cooper osoitti, että heikko puoleensa vetävä voima metalleissa sitoo elektronit toisiinsa, pareiksi. Näitä ruvettiin sittemmin kutsumaan Cooperin pareiksi. Robert Schrieffer näytti, miten Cooperin parit kondensoituvat uuteen perustilaan, kvanttinesteeksi. Elektroniparit kuljettavat virtaa häviöttä ja toimivat täydellisenä diamagneettina, hävittävät magneettikentän suprajohteen sisältä.

Tulos julkaistiin vuonna 1957 ja sai tekijöidensä nimien etukirjainten mukaan nimen BCS-teoria. Se särki lähes 50 vuotta vanhan, kovaksi osoittautuneen pähkinän. Teoria oli perusideoiltaan selkeä, mutta matemaattisesti kohtuullisen monimutkainen. Suprajohtavuus oli selätetty, vaikka yksittäisiä materiaaleja koskevat tarkat ennusteet ovat edelleenkin hankalia ja työläitä. Keskeinen idea on se, että hilavärähtelyjen välittämä heikko vetovoima metallin nopeimmin liikkuvien (nk. Fermi-pinnalla liitelevien) elektronien välillä saa ne pariutumaan. Bosonien kvanttistatistiikkaa noudattavat parit tiivistyvät suprajohtavaan tilaan.

Nobel-palkinto tuli BCS-kolmikolle vuonna 1972. Se oli Bardeenille jo toinen, sillä hänet oli yhdessä Walter Brattainin ja William Shockleyn kanssa palkittu vuonna 1956 transistorin keksimisestä. Bardeen on ainoa ihminen, jolle tiede-Nobel on myönnetty kahdesti. BCS-teoria soveltuu myös muihin fysikaalisiin systeemeihin. Sillä on käyttöä mm. heliumin suprajuoksevuuden ja pyörivien neutronitähtien ilmiöiden selittämisessä.

Suprajohtavuuslämpötilat ovat yleensä hyvin alhaisia, korkeimmillaankin vain parikymmentä astetta. Suuri yllätys koettiinkin vuonna 1987, kun Georg Bednorz ja Alex Müller raportoivat aivan uudenlaisista, kuparioksideihin perustuvista keraamisista suprajohteista yli sadan asteen lämpötilassa. Siitä alkoi kiihkeä tutkimus ja kuumeinen kilpailu.

Näitä materiaaleja ryhdyttiin kutsumaan korkean lämpötilan suprajohteiksi tai HTC (High Critical Temperature)-suprajohteiksi. Kävi pian ilmi, että ne eivät sopineet BCS-teorian muottiin: kyseessä oli aidosti uudenlaisia piirteitä sisältävä ilmiö. Korkean lämpötilan suprajohtavuus on myös hyvin monipiirteinen ilmiö, ja sen yksityiskohtien selvittämiseen on käytetty isoa joukkoa erilaisia kokeellisia mittausmenetelmiä. Kuparioksidit ovat myös hyvin hankalasti valmistettavia ja hallittavia, ja pienilläkin epäpuhtaus- ja valmistusvirheillä on vaikutuksensa.

Teoreetikoille korkean lämpötilan suprajohtavuus on innostava haaste ja taas kova pähkinä purtavaksi. Kaksikymmentä vuotta on kulunut, mutta toimivaa ja yleisesti hyväksyttyä teoriaa ilmiölle ei vielä ole. Ehdokkaista ei ole pulaa, mutta BCS-teorian kaltaista ilmeistä selitystä ei ole löytynyt. Lähtökohta on myös vaikeampi, koska normaalitila ei ole yksinkertainen metalli vaan itseasiassa antiferromagneettinen eriste. Nobel-palkinto odottaa sitä, joka pystyy HTC-suprajohteet kunnolla selittämään.

Suprajohtavuuden eri ilmenemismuodot ovat tavattoman rikas fysiikan tutkimusalue. Ilmiöllä on myös paljon teknisiä sovelluksia, magneettisista kuvantamislaitteista ja levitoivista luotijunista ultraherkkiin antureihin ja mikroelektroniikan komponentteihin. Ne ovat makroskooppista kvanttimekaniikkaa käytännössä.

— risto nieminen · 22 01 2008 - 15:23 · #

Luin nyt vasta blogin suprajohtavuudesta ja siinä pisti silmään ilmaus suprajohtavuuslämpötiloista. Blogissa sanottiin, että suprajohtavuus esiintyy yleensä kahdenkymmenen asteen lämpötiloissa ja korkean lämpötilan suprajohteet sadan asteen lämpötiloissa. Ilmaisun pitäisi tietysti olla kahdenkymmenen kelvinin lämpötilassa. Kelvinien yhteydessä ei käytetä aste-sanaa. Muutoin blogi oli havainnollisesti kirjoitettu, kiitos siitä.

— Sirpa Lakervi · 2 03 2008 - 09:10 · #

Caramba, não entendi nada. Que idioma é este mesmo? O site é bonito, parabéns pelas ilustrações.

— Giovanni · 3 03 2009 - 15:54 · #

Textile ohje