Materjal, mis paneb rongid lendama. Üliväike pilt üliheast juhist. Ülijuhi jaoks kõrgel, kuid tavamõistes siiski madalal temperatuuril (95 K, -178.150C) võib pildil kujutatud ütriumbaariumvaskoksiidi kristalle võrrelda Napoleoniga. Sõdurite asemel juhitakse siin aga elektrone ilma igasuguse takistuseta sinna kuhu vaja. Vaatamata väikestele kristallidele mikrotasandil, on YBa2Cu3O7−x makroskoopilisel tasandil suur tegija, leides kasutust nii ülijuhtivate supermagnetite kui ka ülisuurtel kiirustel (ca 600 km/h) liikuvate rongide tehnoloogiates.
Materjale, mis lähevad teataval madalal temperatuuril ülijuhtivasse olekusse, nimetatakseülijuhtideks. Ülijuhis säilibvoolenergiakadudeta. Kui näiteks tekitada ülijuhtivas rõngas elektrivool ja seejärelvooluallikas eemaldada, siis jääbvoolutugevus kuitahes pikaks ajaks muutumatuks.[1] Reaalsed ülijuhid ei ole enamasti absoluutselt ülijuhtivad, vaid neil on siiski väike elektritakistus. Ülijuhtivust võib käsitada ka kuielektrongaasiülivoolavust. Ülijuhtivus on makroskoopiline kvantmaailma nähtus ja seda pole võimalik seletada kvantmaailma seaduspärasusi rakendamata.
Ülijuhtivuse avastas8. aprillil1911Heike Kamerlingh Onnes, kes uuris tahkeelavhõbedajuhtivustveeldatudheeliumi abil. Nimelt kadus temperatuuril 4,2 K (−269 °C) juhtivus järsku ära.[2] Sama eksperimendiga saavutas ta ka 2,2 K juures heeliumiülivoolavuse.[3] Järgmiste aastakümnete jooksul täheldati ülijuhtivust paljudes muudes materjalides:1913. aastal avastati ülijuhtivustinas alla 7 K ja1941. aastal NbN alla 16 K.
1950. aastal töötasidLev Landau jaVitali Ginzburg välja endanimelise fenomenoloogilise ülijuhtivusteooria:Ginzburgi-Landau mudeli.[6] See ühendas endas Landau teist järkufaasisiirete teooriaSchrödingeri-laadse lainevõrrandiga ja seletas väga edukalt ülijuhtide makroskoopilisi omadusi.Aleksei Abrikossov näitas, et selle mudeli järgi saab ülijuhid jagada I ja II tüüpi.2003. aastal said Abrikossov ja Ginzburg oma töö eest ülijuhtide ja ülivoolavusega Nobeli auhinna.
Esimese praktilise rakenduse ülijuhtivusele,krüotroni, töötas1954. aastal väljaDudley Allen Buck.[10] 2 väga erineva kriitilise magnetväljaga ülijuhti kombineeritakse kiireks ja lihtsaks lülituseks arvutielementidele.1962. aastal tõi Westinghouse turule ka esimesenioobiumi jatitaanisulamist ülijuhtiva traadi, mis võimaldas valmistada esimesed praktilised ülijuhtivadelektromagnetid.
Ülijuhte liigitatakse mitmeti, tavaliselt aga järgmiste kriteeriumide järgi:
magnetväljale reageerimise järgi – saab olla I tüüpi, ühe kriitilise väljatugevusega (millest tugevama korral kaob igasugune ülijuhtivus), või II tüüpi ehk kahe kriitilise väljatugevusega, mille vahel tungib magnetväli osaliselt ülijuhti, tekitades nn keeriseid;
neid kirjeldava mudeli järgi – saavad olla tavalised (st piisab BCS-teooriast või sellest tuletatud mudelitest) või ebatavalised;
nendekriitilise temperatuuri järgi – on kõrgtemperatuurilised (üldiselt need, mille jahutamiseks piisab vedelastlämmastikust, seegaTc > 77 K) või madalatemperatuurilised (vajavad muid jahutusmeetodeid);
koostismaterjali järgi – keemilised elemendid (näitekselavhõbe võitina),sulamid (näiteks NbTi, Nb3Ge või NbN), keraamilised materjalid (näiteksYBa2Cu3O7-x või MgB2) või orgaanilised ülijuhid (fullereenid võisüsiniknanotorud).
Paljud omadused, näitekssoojusmahtuvus,kriitiline temperatuur, kriitiline magnetväli ja kriitilinevoolutihedus, varieeruvad erinevatel ülijuhtivatel materjalidel tugevasti. Samas on ka ühiseid omadusi: näiteks kõigi ülijuhtidetakistus on täpselt null alla kriitilise temperatuuri, voolutiheduse ja magnetvälja tugevuse. See tähendab, et ülijuhtivus ontermodünaamilineaine olek omadustega, mis ei sõltu eriti mikroskoopilistest detailidest.
Ülijuhtid säilitavad voolu ka ilma pinge rakendamiseta. Seda kasutatakse ülijuhtivates elektromagnetites näiteksmagnetresonantstomograafia aparaatides. Eksperimendid on näidanud, et ülijuhtivates poolides püsib vool aastaid mõõdetava vähenemiseta, andes voolu kestuseks vähemalt 100 000 aastat. Teoreetilised hinnangud võivad sõltuvalt temperatuurist ja pooli geomeetriast ületadauniversumi eluiga.[1]
Tavalisesjuhis saab elektrivoolu kujutada elektronide liikumisena läbi raskeioonvõre, kus põrgete tulemusel kaotavad elektronidenergiat, mis muutubsoojuseks (sisuliselt võreaatomite võnkumine), ja aeglustuvad, mis avaldubki elektrilise takistusena. Tavalises ülijuhis esinevad elektronidCooperi paaridena, mis tekivadfoononite põhjustatud elektronidevahelisest tõmbejõust.Kvantmehaanika seaduste tõttu on neil minimaalne energia ΔE, mida nimetatakse kaülijuhtivuspiluks. Kui see minimaalne energia on suurem kui ioonvõre soojuslik energia, ei saa nad üksteist mõjutada. Seega Cooperi paarid saavad kanda voolu, mis ei kaota energiat soojuse näol.
II liiki ülijuhtides jääb pisut alla kriitilise temperatuuri väga väike takistus, kui rakendada ka tugevat magnetvälja (mille võib põhjustada ka ülijuhis kulgev vool). Magnetväli eksisteerib ülijuhi sees siis üksikute keeristena, mille liikumine hajutabki energiat. Piisavalt väikeste voolude korral on keerised paigal ja takistus kaob.
Faasisiirde juures on ülijuhi mõned termodünaamilised omadused, näitekssoojusmahtuvus, mittepidevad.
Ülijuhtivus esineb ainult alla kriitilise temperatuuri Tc. See on erinevatel materjalidel erinev. Tavalistel ülijuhtidel, mida kirjeldab BCS-teooria, jääb see üldiselt 20 K kuni alla 1 K. Kõrgeima kriitilise temperatuuriga (39 K) tavaline ülijuht on MgB2[13][14], kuigi on kahtlusi, kas seda saab liigitada tavaliste ülijuhtide alla, kuna sellel onFermi tasemel 2 tüüpi elektrone, mis kutsub esile erilisi efekte.[15]
Kupraatülijuhtidel võivad olla palju kõrgemad kriitilised temperatuurid.YBa2Cu3O7-x näiteks 92 K ja mõnel lausa üle 130 K. Nii kõrgetele temperatuuridele rahuldavat teoreetilist seletust veel pole.
Kui ülijuht panna nõrka välisessemagnetvälja ja seejärel jahutada alla kriitilise temperatuuri, tõrjutakse magnetväli ülijuhist välja. See efekt pole täielik, magnetväli tungib siiski pisut ülijuhti (kahaneb eksponentsiaalselt nullini), mida kirjeldabLondoni sügavus. Meissneri efekt on üks ülijuhtivuse defineeriv karakteristik, Londoni sügavus jääb tavaliselt 100 nm suurusjärku.
See erineb ideaalsestdiamagnetismist, nagu kirjeldabLenzi seadus, mille järgi väline muutuv magnetväli indutseerib juhis vastupidise magnetvälja. Ülijuhtiv materjal aga tõrjub alla kriitilise temperatuuri jahutamise korral välja ka konstantse välise magnetvälja.
Fritz ja Heinz London näitasid, et ülijuhi vabaenergia on minimaalne, kui, kus H on magnetväli ja on Londoni sügavus. Seda tuntakseLondoni võrrandina ja sellest järeldub, et ülijuhis väheneb magnetväli eksponentsiaalselt pinnapealsest väärtusest.
I tüüpi ülijuhtides on üks kriitiline välise magnetvälja tugevus Hc, üle mille kaob ülijuhtivus ja Londoni sügavus saab lõpmatu suureks. II tüüpi ülijuhtides on aga 2 kriitilist magnetvälja tugevust, mille vahel alates Hc1 tungib järjest rohkem magnetvoogu läbi ülijuhi, milles osaliselt ülijuhtivus lakkab, aga kogutakistus jääb nulliks seni, kuni Hc2, kui kogu ülijuhti läbib magnetväli. Vahepeal tungib magnetväli ülijuhti üksikutemagnetvookvantidena, tekitades nn keeriseid.
Ülijuhtidest tehakseJosephsoni üleminekuid (ülijuht-isolaator-ülijuht), millest omakordaSQUID-e, mis on seni kõige tundlikumadmagnetomeetrid. SQUID-e kasutatakse skaneerivates mikroskoopides ja näiteks ajus toimuvate protsesside tekitatud magnetväljade mõõtmiseks. Josephsoni seadmetega on realiseeritud kaSI-süsteemi pingeühiku,voldi etalon. Josephsoni üleminekuid kasutatakse kamikrokalorimeetrites ja ülitundlikesbolomeetrites.
Lootustandvad rakendused tulevikus oleksid näiteks efektiivnetarkvõrk,trafod, energia salvestamine,elektrimootorid, magnetiline leviteerimine (näiteksmagnethõljukrong) ja magnetjahutus. Ülijuhid on tundlikud muutuvatele magnetväljadele, seega on nendega lihtsam arendada tehnoloogiaid, mis kasutavadalalisvoolu.
↑Larbalestier, D. C.; Cooley, L. D.; Rikel, M. O.; Polyanskii, A. A.; Jiang, J.; Patnaik, S.; Cai, X. Y.; Feldmann, D. M.; Gurevich, A. (2001). "Strongly linked current flow in polycrystalline forms of the superconductor MgB2".Nature.410 (6825): 186–189.arXiv:cond-mat/0102216.Bibcode:2001Natur.410..186L.DOI:10.1038/35065559.PMID11242073.
