Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

superledning

Oprindelig forfatter PHede Seneste forfatter Redaktionen

Superledning. Demonstration af en svævende magnet over en cylinder af en høj-Tc-superleder (yttrium-barium-kobberoxid). Der stilles store teknologiske forventninger til disse keramiske materialer, som blev fundet første gang i 1986. Mens tidligere superledere skulle køles til meget lave temperaturer med flydende helium, hvilket er kostbart, kan de nye materialer køles med det meget billigere flydende kvælstof. Det er kvælstofdamp, man ser omkring magnet og superleder.

Superledning. Demonstration af en svævende magnet over en cylinder af en høj-Tc-superleder (yttrium-barium-kobberoxid). Der stilles store teknologiske forventninger til disse keramiske materialer, som blev fundet første gang i 1986. Mens tidligere superledere skulle køles til meget lave temperaturer med flydende helium, hvilket er kostbart, kan de nye materialer køles med det meget billigere flydende kvælstof. Det er kvælstofdamp, man ser omkring magnet og superleder.

superledning, den fuldstændige forsvinden af elektrisk modstand i visse materialer, når de nedkøles under en bestemt karakteristisk temperatur. Når der ikke er nogen modstand, kan der løbe en elektrisk strøm i superlederen, uden at der er spændingsforskel mellem dens endepunkter, og uden at der er energitab i lederen.

Superledning blev opdaget i 1911 af den hollandske fysiker H. Kamerlingh Onnes, der nedkølede kviksølv til en temperatur kun få grader over det absolutte nulpunkt. Ved en temperatur på 4,2 K (ca. −269 °C) forsvandt pludselig al modstand. Overgangstemperaturen til den superledende tilstand kaldes den kritiske temperatur, Tc.

Siden har man fundet, at hovedparten af de metaller, der ikke er magnetiske, bliver superledende med hver deres Tc. Blandt grundstofferne har niobium den højeste kritiske temperatur på 9,5 K. For metalliske legeringer forekommer superledning ved endnu højere temperaturer, og en talliumholdig keramisk kobberoxid har rekorden med Tc = 134 K. De første superledende kobberoxider blev fundet i 1986 af K.A. Müller og G. Bednorz, som delte nobelprisen i fysik i 1987 for opdagelsen. De nye materialer kaldes under et for høj-Tc-superledere.

Annonce

Egenskaber

I 1933 opdagede Fritz Walther Meissner (1882-1974) og Robert Ochsenfeld (1901-93), at et magnetfelt ikke kan trænge ind i en superleder; den er en perfekt diamagnet (se Meissner-effekten). Hvis en superleder udsættes for et magnetfelt, fx hvis man bevæger en stangmagnet hen i dens nærhed, vil der ifølge induktionsloven skabes strømme i superlederen, som med deres tilhørende magnetfelt præcist vil sørge for, at det samlede magnetfelt i superlederen forsvinder. Det forhold, at den elektriske modstand er nul, sikrer, at disse strømme kan fortsætte, og medfører, at magnetfeltet aldrig kan trænge ind. Mere overraskende er det, at hvis man anbringer en superleder i et magnetfelt ved en temperatur over Tc og derefter sænker temperaturen under Tc, vil der spontant opstå strømme, skærmstrømme, der igen sikrer, at magnetfeltet ikke trænger ind i superlederen.

Superledning. Snittegning af et superledende kabel med tre ledere. Hver leder har en indre køling med flydende kvælstof, og de tre ledere er fælles om en ydre køling. Det flydende kvælstof køler kablerne til ca. −196 °C. Sådanne kabler er kostbare, men til gengæld er der ingen elektriske tab under drift.

Superledning. Snittegning af et superledende kabel med tre ledere. Hver leder har en indre køling med flydende kvælstof, og de tre ledere er fælles om en ydre køling. Det flydende kvælstof køler kablerne til ca. −196 °C. Sådanne kabler er kostbare, men til gengæld er der ingen elektriske tab under drift.

Hvis strømstyrken i superlederen overstiger en bestemt kritisk værdi, bliver materialet normalt ledende. Udsættes superlederen derfor for et kraftigt magnetfelt, vil styrken af skærmstrømmene overstige den kritiske værdi, og materialet vil blive normalt og tillade magnetfeltet at trænge ind. I en bestemt klasse af superledere, de såkaldte type-II-superledere, kan magnetfeltet dog trænge ind i små veldefinerede "pakker", som kaldes magnetiske fluxkvanter. I områder uden for disse fluxkvanter er den superledende egenskab intakt. Først ved så kraftige magnetfelter, at fluxkvanterne udfylder hele materialets volumen, vil superledningen forsvinde. Det sker i praksis ved så høje felter, at type-II-superlederne er de foretrukne i teknologiske anvendelser.

Teorier

Den tyske fysiker F. London opstillede i 1935 en fænomenologisk teori, der gav en sammenhængende beskrivelse af superledernes elektromagnetiske egenskaber. Det stod klart, at den grundlæggende forklaring på fænomenet skulle søges i kvanteteorien, men der skulle gå godt 20 år, før den endelige forklaring blev fundet. Amerikanerne J. Bardeen, L.N. Cooper og J.R. Schrieffer fremsatte i 1957 en egentlig kvanteteori for superledning, BCS-teorien, for hvilken de fik nobelprisen i fysik i 1972. Den tager sit udgangspunkt i, at ifølge kvanteteorien kan alle naturens bestanddele inddeles i to klasser, fermioner og bosoner. Fermionerne er partikler som elektroner, protoner og neutroner, der opfylder Pauliprincippet, som forbyder to identiske fermioner at være i samme kvantetilstand. Bosoner som fx fotoner har det omvendt, de foretrækker at være i samme kvantetilstand. Kun termiske forstyrrelser og stærk indbyrdes frastødning forhindrer den såkaldte Bose-Einstein-kondensation af bosoner i samme kvantetilstand.

Elektronerne i et metal er fermioner, men ved at blive bundet til hinanden kan de danne elektronpar, som vil være bosoner. Samlingen af elektronpar, Cooper-par, vil da kunne Bose-Einstein-kondensere, og et sådant Bose-Einstein-kondensat af ladede partikler vil være superledende. Se også kvantevæsker og superfluiditet.

I en almindelig ledning er årsagen til elektrisk modstand, at de strømbærende elektroner i deres bevægelse gennem metallet, som er opbygget af metalioner arrangeret i en gitterstruktur, bliver forstyrret ved sammenstød med fremmedatomer og termiske gitterbevægelser (fononer). Hvis de er en del af et Bose-Einstein-kondensat, vil de imidlertid ifølge kvanteteorien hurtigt finde tilbage i kondensatet, der glider gennem ledningen som en helhed.

Mekanismen, der binder to elektroner sammen i et Cooper-par, varierer for de forskellige superledere. I mange år kendte man kun den tiltrækkende kraft, der opstår mellem to partikler, når de bevæger sig i et fleksibelt medium. Med en forenklet analogi kan man forestille sig to æbler, der ligger ved siden af hinanden på et lagen. Da lagenet kan deformeres, vil de to æbler søge sammen og danne par i en fælles fordybning i lagenet. Denne teori for dannelsen af Cooper-par forklarer den såkaldte isotopeffekt, dvs. at superlederens kritiske temperatur ændrer sig på en forudsigelig måde, når metalionerne udskiftes med lettere eller tungere isotoper af det samme grundstof. Den bindende kraft afhænger nemlig af egenskaberne ved det fleksible medium; i et metal er det ionerne, der udgør mediet, og kraften ændrer sig med ionernes masse.

Higgs-mekanismen

Man kan kort karakterisere en superleder som et stof, der hverken tillader elektriske eller magnetiske felter i sit indre. Da lys er elektromagnetiske svingninger, er det mere generelle udsagn, at lys med tilpas lav frekvens ikke kan bevæge sig gennem en superleder. Ifølge kvanteteorien kan lys også opfattes som en strøm af partikler, fotoner. Årsagen til, at en foton ikke kan være i en superleder, kan fortolkes som, at fotonen vil blive massiv, hvis den bevæger sig ind i superlederen. Da fotonens energi er E = , hvor h er Plancks konstant og ν er lysets frekvens, og massen er givet ved Einsteins formel E = mc2, har lavfrekvente fotoner ikke den fornødne energi, der skal til for konvertering til den masse, de ville have i superlederen.

Denne version af forklaringen på en superleders egenskaber kaldes for Higgs-mekanismen efter den skotske fysiker Peter Higgs (f. 1929), der i 1960’erne sammen med S.L. Glashow, A. Salam og S. Weinberg brugte idéerne fra teorien for superledning til at forklare grundlæggende egenskaber ved elementarpartiklerne. I elementarpartikelfysikken opereres der med en universel superleder, som gennemtrænger hele Universet, og som bevirker, at bestemte lysagtige partikler, W- og Z-partiklerne, er massive (jf. Higgs-partiklen).

Med opdagelsen af høj-Tc-superlederne blev det imidlertid klart, at også andre mekanismer kan danne Cooper-par. Der findes dog endnu ikke en tilfredsstillende mikroskopisk teori for de nye superledere.

BCS-teorien har også spillet en rolle i kernefysikken, idet nukleonerne (protoner og neutroner) i visse tunge atomkerner kan danne kondenserede Cooper-par, der bindes sammen af kernekræfterne (se atomkerne).

Faceovergange

Overgangen til den superledende tilstand ved den kritiske temperatur er et eksempel på en faseovergang. Frysning af vand til is, eller at en stangmagnet bliver magnetisk, er velkendte eksempler på faseovergange. Sådanne overgange har mange fælles træk, som genfindes i overgangen til den superledende tilstand (se også kritiske fænomener). Eksempelvis udviser den specifikke varmefylde drastiske forandringer ved den kritiske temperatur. Et andet fælles træk ved faseovergange er, at der under den kritiske temperatur opstår større orden; entropien, der er et mål for orden, falder. I superlederen består den øgede orden i, at Cooper-parrene Bose-Einstein-kondenserer. Det er et generelt fysisk princip, som ofte kaldes termodynamikkens tredje lov, at ved det absolutte nulpunkt vil ordenen være perfekt, entropien vil være nul. Det betyder fx, at et fast stof kun har få tilstandsmuligheder ved meget lave temperaturer. For tiden kendes kun mulighederne, at stoffet bliver en isolator, bliver magnetisk eller bliver superledende.

Anvendelser

Pga. det forsvindende energitab er superledere velegnede i kabler til energioverførsel og i elektromagnetiske spoler; fx anvendes superledende elektromagneter i de store acceleratorringe i CERN. Inden høj-Tc-materialernes fremkomst var anvendelsen begrænset af, at det var nødvendigt at køle med det dyre flydende helium. Det er imidlertid nu muligt at fremstille materialer, der er superledende ved flydende kvælstofs temperatur (77 K), hvilket kan gøre flere anvendelser økonomisk rentable. Der forskes aktivt i at fremstille ledninger og kabler med stadig større kritiske strømstyrker.

Mere forfinede anvendelser, der udnytter Bose-Einstein-kondensatets kvantenatur, knytter sig til den såkaldte Josephson-kontakt (se Josephson-effekt). Laver man en komponent, der består af to parallelforbundne Josephson-kontakter, har man en såkaldt SQUID (eng. Superconducting Quantum Interference Device). Strømmen gennem en SQUID er uhyre følsom over for styrken af det magnetfelt, der er på dens position. Vha. et stort antal SQUIDs anbragt på en persons kranium er det fx muligt at måle og lokalisere de meget små strømme, der er forbundne med nervesignaler i hjernen. Moderne Josephson-kontakter fremstilles af superledende tyndfilm i en proces, der minder om den, der bruges i fremstillingen af integrerede kredse.

De såkaldte højtemperatursuperledere er fortsat et meget aktivt forskningsområde, men også for andre typer superledere gøres mange nye opdagelser. I 2000 opdagede den japanske fysiker Jun Akimitsu (f. 1939), at magnesiumdiborid (MgB2) er superledende ved temperaturer under 39 K. Det vakte megen opmærksomhed, fordi der her er tale om en simpel kemisk forbindelse, som er let at fremstille, og teknologiske anvendelser er hurtigt fulgt efter opdagelsen. Teoretisk kan superledningen forklares ud fra den oprindelige BCS-teori fra 1957.

En anden vigtig opdagelse blev gjort i 1994 af den japanske fysiker Yoshiteru Maeno (f. 1957). Han observerede superledning i strontiumrutenat (Sr2RuO4) ved temperaturer under 1,5 K. Der er således ikke tale om en højtemperatursuperleder, men superledningen er af en art, som ikke er observeret tidligere. Pardannelsen af elektroner (Cooper-par), som er årsagen til superledning, vil normalt ske således, at de to elektroner, der danner par, har deres magnetiske momenter rettet modsat, således at Cooper-parret samlet set er umagnetisk. I strontiumrutenat er de magnetiske momenter imidlertid rettet samme vej, og Cooper-parret har derfor et magnetisk moment; de er kvantemekanisk i en såkaldt p-tilstand, hvor de to elektroner kredser omkring hinanden. Det har grundvidenskabelig stor interesse, og de fænomener, der forekommer, ligner dem, der er fundet i en superflydende væske af He-3 ved temperaturer under nogle få mK (millikelvin).

Referér til denne tekst ved at skrive:
Per Hedegård: superledning i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 18. februar 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=167160