En superleder er et materiale som under en gitt temperatur Tc transporterer strøm uten målbar elektrisk motstand og som har en tendens til å helt eller delvis skjerme magnetiske felt.
Mange grunnstoffer og kjemiske forbindelser er superledende ved lav temperatur.
Illustrasjon av levitasjonseffekt ved hjelp av en superleder. Når en magnet plasseres over en superleder, vil den holde seg svevende. Man kan vise dette ved å plassere en superleder i flytende nitrogen (77 K) slik at temperaturen etter hvert blir lavere enn superlederens kritiske temperatur, og plassere en kraftig, liten magnet over superlederen. På tegningen er den magnetiske kraften Fm like stor som tyngdekraften G på magneten og motsatt rettet.
Superledning ble oppdaget av Heike Kammerlingh-Onnes som i 1911 påviste null motstand i kvikksølv under den kritiske temperaturen Tc = 4.15 K. I 1933 fant Walther Meissner og Robert Oschenfeld at en superleder har null magnetisk permeabilitet, det vil si er fullkomment diamagnetisk, slik at den et ytre magnetfelt kun kan trenge inn i et tynt lag av superlederen (Meissner effekt). Denne dybden kalles for penetrasjonsdybden. Alexei A. Abrikosov viste i 1957 teoretisk at i noen superledere vil et ytre magnetfelt delvis slippes igjennom materialet via såkalte vortekser.
Superledende materialer klassifiseres derfor som enten type I (når magnetfeltet stenges helt ute) eller type II (hvor magnetfeltet slipper gjennom vortekser). På grunn av at superledere har en tendens til å skjerme magnetiske felt, er det mulig å observere magnetisk levitasjon (se figur).
Superledning er en kvantemekanisk effekt som manifesteres på makroskopisk skala. Den generelt aksepterte teorien som mikroskopisk forklarer opphavet til vanlige superledere som oppstår fra en metallisk tilstand, BCS-teorien, ble gitt av John Bardeen, Leon N. Cooper og Robert Schrieffer i 1957. De ble senere tildelt Nobelprisen i fysikk for sin teori. I denne beskrives effekten som en kollektiv bevegelse av elektronpar, dannet ved elektron-fonon-kobling, uten at energi forsvinner ved vekselvirkning med atomene i krystallstrukturen. Dette er i motsetning til hva man registrerer for vanlige ledningselektroner i metaller som kan spres på både urenheter og fononer og dermed tape energi, hvilket fører til en endelig elektrisk motstand.
Såkalte høytemperatur-superledere, med langt høyere kritisk temperatur enn tidligere kjent og teoretisk ansett som mulig, ble først fremstilt av Karl A. Müller og Georg Bednorz, IBM Zürich, i 1986. Superledning i høytemperatur-superledere er så langt ikke forklart fullgodt teoretisk. En rekke forskere har mottatt Nobelprisen for forskning relatert til superledning, blant annet Kammerlingh-Onnes i 1913, Bardeen, Cooper og Schrieffer i 1972, Brian Josephson og Ivar Giæver i 1973 og Bednorz og Müller i 1987.
Eksperimentelt er det påvist at resistiviteten i noen stoffer avtar med en faktor på minst 1011 rundt Tc. I en superledende krets av bly kunne tap av strøm ikke registreres i løpet av flere år. Strømmen som kan sendes gjennom en superleder er begrenset på grunn av det magnetfeltet som induseres. Likevel tåler superledere store strømstyrker: en blyleder med 2 mm diameter kan transportere ca. 250 A ved 4 K. Ved romtemperatur ville denne strømstyrken utvikle en effekt på 50 W/cm i den samme lederen.
For superledende grunnstoffer ligger den kritiske temperaturen mellom det absolutte nullpunkt (0 K = –273,15 °C) og opp til rundt 9 K (for niob). For sammensatte stoffer, kan superledning inntreffe ved mye høyere temperaturer opp til rundt 135 K ved normalt trykk og enda høyere (203 K) ved økt trykk. I et magnetfelt vil superledning inntreffe først ved en lavere temperatur, mens for sterkt magnetfelt får man ikke superledning.
Man skiller mellom type I og type II superledere. Type I vil så lenge den er superledende være ugjennomtrengelig for et ytre magnetisk felt (null permeabilitet), så lenge feltstyrken er under en kritisk verdi Hc. For høyere felt enn Hc, opphører superledningen i type I tilfellet. Type II har i svake magnetiske felt de samme magnetiske egenskapene som type I, men magnetfeltet vil delvis trenge inn i materialet når feltet overskrider en kritisk verdi Hc1. Superledning opphører når feltet overskrider en annen, høyere kritisk verdi Hc2.
Av grunnstoffene viser 26 superledning av type I ved lav temperatur, noen først ved høye trykk. Edelmetaller, alkalimetaller, metaller som viser kooperativ magnetisme og ikke-metaller synes vanskelig å kunne bli superledende. For de fleste inntrer superledning ved temperaturer under 5 K, unntak er bly (Pb) med Tc = 7.2 K, niob (Nb) med Tc = 9.5 K og technetium (Tc) med Tc = 7.4 K. Ikke-metallet svovel blir superledende ved et trykk på 200 kbar (Tc = 5.7 K).
En rekke metall-legeringer og oksider samt enkelte organiske forbindelser viser superledning. Mer enn tusen uorganiske superledere er kjent. De mest kjente, og kommersielt viktige, legeringene er de med såkalt A15-(β-wolfram) struktur, for eksempel niob-germanium (Nb3Ge) med Tc = 23.2 K og niob-tinn (Nb3Sn) med Tc = 18.3 K. Før oppdagelsen av høytemperatur-superledere var den høyeste kritiske temperaturen kjent fra faste oppløselighetsfaser av denne typen.
Også enkle karbider, nitrider og oksider viser superledning, f.eks. MoC (Tc = 14.3 K), VN (Tc = 8.5 K) og TiO (Tc = 1.3 K). I 1960- og 1970-årene ble en rekke ternære superledende faser oppdaget, bl.a. chevrelfasene, for eksempel PbMo6S8 (Tc = 15.2 K). I 1980-årene markerte fremstillingen av en rekke kompliserte høytemperatur-superledere starten på en ny utvikling innen superlederforskning. Noe senere ble fenomenet oppdaget i visse forbindelser som inneholder molekylære former for karbon, C60. For eksempel har Rb2CsC60 Tc = 35 K. Påvisningen av superledning i MgB2 i 2001 med Tc = 39 K skapte mye oppmerksomhet i feltet.
Kuprater (kobberoksider) utgjør den viktigste stoffklassen innen høytemperatur-superledere. I kupratene har kobber et gjennomsnittlig (formelt) oksidasjonstrinn nær to. Bednorz og Müller beskrev 1986 høytemperatur-superledning i La2CuO4, hvor noe lantan var byttet ut med strontium. I 1987 ble YBa2Cu3O7 (også kalt YBCO eller 123) beskrevet, den første forbindelse med Tc (= 92 K) over flytende nitrogentemperatur. Høyeste verifiserte Tc ved normalt trykk er 134 K for kvikksølv-barium-kalsium-kobberoksid HgBa2Ca2Cu3O8.
Høytemperatur superledende kuprater har felles byggetrekk. Blant annet inneholder de todimensjonale sjikt av Cu–O-lag hvor kobber har nær plankvadratisk geometri. I en del tilfeller kan kobber ha pyramidal eller oktaedrisk koordinasjon. Sjiktene av et eller flere Cu–O-plan er atskilt ved en såkalt ladningsreservoar-blokk. Denne inneholder oksygen og basiske kationer som Ca, Sr, Ba, Tl eller Hg. Blokken vil påvirke elektrontilstanden i Cu–O-sjiktene. Ved kjemisk å modifisere ladningsbalansen i reservoarblokken gjennom substitusjon (for eksempel innføre et treverdig grunnstoff i stedet for et toverdig) eller reduksjon/oksidasjon (det vil si endring av oksygeninnholdet) vil optimale forhold for superledning i materialet kunne etableres. Et eksempel er YBa2Cu3O7–δ, der oksidert tilstand med δ = 0 er superledende mens redusert tilstand med δ = 1 er halvledende.
Frem til 2008 ble høy-temperatur superledere betraktet som synonymt med kuprater. Oppdagelsen av jern-baserte superledere som Sr0.5Sm0.5FeAsF og PrFeAsO0.89F0.11 endret på dette siden de fremviste en mye høyere kritisk temperatur (rundt Tc=50 K) enn vanlige superledere.
Den høyeste temperaturen hvor man har funnet at et materiale er superledende, er Tc=203 K. Dette ble i 2015 eksperimentelt observert i hydrogen sulfid (H2S) under et ekstremt høyt trykk på ca. 150 gigapascal. Temperaturen 203 K er bemerkelsesverdig fordi at det, i motsetning til andre superledere, er en temperatur som kan eksistere naturlig på jordens overflate. På Antarktis har det blitt målt temperaturer rundt 180 K i henholdsvis 1983 og 2010. Oppdagelsen er primært av fundamental fysisk interesse siden det ekstreme trykket gjør at praktiske applikasjoner med superledende hydrogen sulfid er umulige å oppnå.
Fenomenet superledning begrenses av temperatur, Tc, ytre magnetfelt, Hc og strømstyrke i lederen, Jc. Disse parametrene, sammen med materialparametre som kjemisk stabilitet, grenseflater og mekaniske egenskaper, må optimaliseres ved utvikling av teknologisk anvendbare materialer. Hittil har superledende legeringer og oksidkeramer blitt kjølt med flytende helium, noe som har betydelige kostnader. En fordel med høytemperatur-superledere er at Tc er så vidt høy slik at flytende nitrogen kan benyttes som kryogent medium.
En viktig anvendelse av superledere er i strømspoler for sterke elektromagneter, for eksempel til akseleratorer innen kjerne- og partikkelfysikk, i medisinsk diagnostikk (magnettomografi) og NMR-spektroskopi (kjernemagnetisk resonans) til identifikasjon av organiske og biologiske molekyler. Andre anvendelser er i elektroniske komponenter for datamaskiner (ved å benytte seg Josephsoneffekten) og i sensorer for temperatur og magnetfelt. Kabler av høytemperatur-superleder produseres nå i kilometerlengder for uttesting av tapsfri energioverføring, eventuelt energilagring. Forskning foregår for mulig utvikling av nye typer elektriske motorer. Potensielle anvendelser ligger videre i utnyttelsen av levitasjonseffekten, det vil si at en magnet vil kunne sveve over en superleder.
Innen så vel grunnforskning som teknologisk forskning står man ennå overfor store utfordringer innen superledning. Den mest begrensende egenskapen til superledende teknologi er kravet om lav temperatur. Det satses betydelige forskningsressurser på feltet, spesielt med tanke på å finne materialer med høyere kritisk temperatur Tc hvor superledning inntreffer.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.