Superprevodnik: kaj je, kako deluje in Meissnerjev učinek

Superprevodnik je snov, ki prevaja elektriko brez upora, ko postane hladnejša od "kritične temperature". Pri tej temperaturi se elektroni ne obnašajo več kot posamezni delci z razpršitvami zaradi trčenja, ampak se povežejo v pare (tako imenovani Cooperjevi pari) in tvorijo kolektivno kvantno stanje, v katerem se lahko gibajo po snovi brez izgube energije. To pomeni, da se pojavijo trajni tokovi, ki lahko tečejo zelo dolgo brez upada. Superprevodniki se razlikujejo od običajnih prevodnikov, tudi zelo dobrih. Običajni prevodniki upornost sicer zmanjšajo z nižanjem temperature, vendar le postopoma; nasprotno pa superprevodniki svojo upornost izgubijo naenkrat ob prehodu skozi kritično temperaturo – to je primer faznega prehoda. Poleg temperature obstajata še dva ključna parametra, ki lahko uniči superprevodnost: zunanje magnetno polje in tok skozi material (obstajajo kritične vrednosti za vse tri parametre).

Kako deluje superprevodnost (poenostavljeno)

V poenostavljeni sliki se pri dovolj nizkih temperaturah pojavi vezava elektronov v Cooperjeve pare zaradi šibke privlačne interakcije, posredovane s kristalno mrežo. Ti pari vedenjsko delujejo kot kvantni kondenzat in se vseh hkrati urejeno premikajo skozi material, kar preprečuje običajne razpršitve, ki povzročajo upornost. Matematični opis za tipične "klasične" superprevodnike daje teorija BCS (Bardeen–Cooper–Schrieffer). Za nekatere nove vrste superprevodnikov (npr. visokotemperaturni keramiki) je mehanizem še predmet raziskav.

Meissnerjev učinek in magnetno izrinjanje

Magnet, ki se giblje ob vodniku, običajno z elektromagnetno indukcijo povzroča tokove v vodniku. Toda superprevodnik z indukcijo površinskih tokov dejansko v celoti izrinja magnetna polja iz svoje notranjosti. Namesto da bi prepuščal magnetno polje, se superprevodnik obnaša kot magnet, ki je usmerjen v nasprotno smer, kar pravi magnet odbija. Temu pravimo Meissnerjev učinek, ki ga lahko dokažemo z levitiranjem superprevodnika nad magneti ali obratno.

Pojasnilo: Meissnerjev učinek ni le posledica brezupornega toka, temveč lastnost kvantnega stanja superprevodnika. Magnetno polje se v materialu hitro upočasni na nič z značilno globino, imenovano penetracijska globina. Pri nekaterih superprevodnikih (tip II) visoka zunanja polja lahko delno prodrejo v obliki magnetnih vrtincev (vorteksov), ki nosijo diskretno količino magnetnega toka; ti vrtinci se lahko "priklenejo" na nepopolnosti materiala, kar omogoča stabilno levitacijo in je osnova za pojav, imenovan kvantno zaklepanje ali flux pinning.

Vrste superprevodnikov in ključni parametri

• Tip I: popolno izrinjanje magnetnega polja do kritične vrednosti; običajno kovinski elementarni superprevodniki (npr. svinec).
• Tip II: obstajata dve kritični vrednosti polja (Hc1 in Hc2); med njima vstopajo vrtinci magnetnega toka. Večina praktičnih superprevodnikov (vključno z visokotemperaturnimi) je tip II, kar omogoča večje kritične tokove in uporabo v močnejših poljih.
• Kritična temperatura (Tc): temperatura, pod katero se pojavi superprevodnost. "Visokotemperaturni" superprevodniki imajo Tc nad temperaturo vrelišča tekočega dušika (77 K), kar zmanjšuje stroške hlajenja.
• Kritično magnetno polje in kritični tok: vrednosti, pri katerih se superprevodnost poruši. Te omejitve določajo uporabo v magnetih in prenosu tokov.

Praktične uporabe in omejitve

• Medicinska diagnostika: MRI aparature uporabljajo močne superprevodne magnete za stabilno in intenzivno magnetno polje.
• Transport in transportna tehnologija: magnetna levitacija (maglev) in eksperimentalni vlaki lahko izkoriščajo superprevodnike za zmanjšanje trenja.
• Energetika in elektrika: superprevodni kabelski vodi in skladiščenje energije v obliki superprevodnih magnetov ali tokovnih zank (SMES) obetajo manjše izgube prenosa električne energije.
• Raziskave in inženiring: močni superprevodni elektromagneti so osnova za pospeševalnike delcev, fuzijske magnete in znanstveno opremo.

Glavna omejitev je potreba po hlajenju na zelo nizke temperature (čeprav so visokotemperaturni superprevodniki zmanjšali zahtevano hlajenje), ter občutljivost na močna magnetna polja in električne tokove nad kritičnimi vrednostmi. Prav tako je tehnološki izziv izdelava materialov z dovolj veliko kritično tokovno gostoto in dobrim mehanskim ter termičnim obnašanjem.

Dodatni pojmi, ki jih je vredno poznati

• Vztrajni tokovi: tokovi, ki lahko tečejo brez upada daljša obdobja v zaprti superprevodni zanki.
• Kvantizacija magnetnega toka: magnetni tok v superprevodnih vrtincih ali zankah se pojavlja v diskretnih enotah (flux quanta).
• Penetracijska globina in koherentna dolžina: lastnosti, ki opisujejo, kako globoko prodre magnetno polje v material in kako velika je velikost Cooperjevega para; pomembni za razumevanje odziva materiala na motnje.

Superprevodnost je zato hkrati temeljna fizikalna lastnost z bogatimi kvantnimi pojavi in obetavna tehnologija z aplikacijami v medicini, energetiki, prevozu in raziskavah – vendar s praktičnimi izzivi, povezani s hlajenjem in mehanskimi ter materiali lastnostmi.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je superprevodnik?

V: V čem se superprevodnik razlikuje od navadnega prevodnika?

V: Kateri so nekateri primeri superprevodnikov?

V: Kako vpliva magnet, ki se giblje ob vodniku?

V: Kaj je Meissnerjev učinek?

V: Ali visoko magnetno polje uniči ali okrepi superprevodnost?

Išči po črki