Supravadītājs ir viela, kas bez pretestības vada elektrību, kad tā kļūst aukstāka par "kritisko temperatūru". Šajā temperatūrā elektroni var brīvi pārvietoties caur materiālu bez enerģijas zuduma. Supravadītāji atšķiras no parastiem vadītājiem, pat ļoti labiem — parastie vadītāji, kļūstot aukstāki, lēnām samazina pretestību, bet supravadītāji savu pretestību zaudē strauji pie pārejas punkta. Tas ir fāžu pārejas piemērs. Augsti magnētiskie lauki vai pārāk liels strāvas blīvums var iznīcināt supravadītspēju un atjaunot materiāla normālo vadītspējas stāvokli.

Galvenās īpašības

  • Nulles pretestība: izteikta spēja vadīt pastāvīgu strāvu bez sprieguma krituma.
  • Meissnera (Meissnera) efekts: supravadītājs izspiež iekšējos magnētiskos laukus, saglabājot iekšējo laukuma līmeni nullei (sk. zemāk).
  • Kritiskie parametri: katram supravadītājam ir kritiskā temperatūra (Tc), kritiska magnētiskā lauka vērtība (Hc) un kritiska strāvas blīvuma vērtība (Jc). Pārsniedzot kādu no tiem, supravadītspēja zūd.
  • Enerģijas ieejas barjera (enerģijas sprauga): supravadītāju elektronu stāvoklim ir enerģijas sprauga, kas pasargā no parastiem skaršanās procesiem, samazinot sadursmes ar defektiem un fononiem.

Kritiskā temperatūra un kā supravadītāji darbojas

Kritiskā temperatūra (Tc) ir temperatūra, zem kuras materiāls nonāk supravadītāja stāvoklī. Zem Tc elektroni materiālā pārajas īpašā veidā — veido tā sauktos Cooper pārus. Šos pārus saista neliels, fononu (atomu vibrāciju) starpniecībā radīts pievilkšanas spēks; pāra stāvoklis uzvedas kā bozonu kolektīvs, kas kondensējas vienā kvantu mehāniskā zemākajā enerģijas stāvoklī. Tā rezultātā elektronu skalošana un izkliede, kas rada pretestību, vairs nenotiek, un strāva plūst bez zudumiem.

Meissnera efekts un magnētiskā levitācija

Parasti magnēts, kas pārvietojas gar vadītāju, ar elektromagnētiskās indukcijas palīdzību rada strāvu vadītājā. Taču supravadītājs faktiski pilnībā izspiež magnētiskos laukus, inducējot virsmas strāvas. Tā vietā, lai ļautu magnētiskajam laukam iet cauri, supravadītājs darbojas kā pretēji vērsts magnēts, kas atgrūž īsto magnētu. To sauc par Meissnera efektu, un to var demonstrēt, levitējot supravadītāju virs magnētiem vai otrādi.

Ir divi galvenie supravadītāju tipi attiecībā uz magnētiskā lauka uzvedību:

  • I tips: pilnībā izspiež magnētisko lauku līdz kritiskajam laukam un pēc tam pārslēdzas uz normālu stāvokli.
  • II tips: pieļauj magnētiskā lauka iekļūšanu caur kvantu viļņu virpuli zonas (vortex) veidā starp divām kritiskajām lauka vērtībām; šajās zonās magnētiskais lauks ir fokusēts, un šo parādību var izmantot, lai sasniegtu stabilu levitāciju (flux pinning).

Veidi un piemēri

Supravadītāji iedalās vairākās grupās pēc materiāla un Tc vērtības:

  • Elementārie supravadītāji (piem., Hg, Pb) ar zemu Tc.
  • Leģēti un intermetāliski savienojumi, kurus izmanto laboratorijās un tehnoloģijās.
  • Augsttemperatūras supravadītāji (piem., kuprāti un dažas želeja), kuriem Tc var pārsniegt šķidrā slāpekļa temperatūru (~77 K), kas padara tos praktiskākus industriālai lietošanai.

Pielietojumi

  • Medicīnas magnētiskā rezonanse (MRI) — ļoti jaudīgi supravadītāju elektromagnēti nodrošina intensīvus, stabilus magnētiskos laukus.
  • Dažādi magnētpārvietojumi un maglev vilcieni — Levitatīvās sistēmas ar mazu berzi.
  • Elektriskie transformatori un spoles ar mazākiem zudumiem, supervadītāju stieples lielās strāvas pārvadei (uz testēšanas stadijas vai lokāli).
  • Partiklu paātrinātāji un magnēti zinātniskajās iekārtās.
  • Precīzi magnētiskā lauka mēri (SQUID ierīces) un kvantu datoru elementu realizācija.

Vēsture un teorētiskā izskaidrojuma pamats

Pirmo reizi supravadītspēju atklāja H. K. Onnes 1911. gadā, vērojot dzīvsudraba pretestības strauju krišanos zem noteiktas temperatūras. BCS teorija (1957) — Bardeen, Cooper un Schrieffer — izskaidroja supravadītspēju makroskopiskajā līmenī, izmantojot Cooper pāru koncepciju un enerģijas spraugu. Mūsdienās tiek pētīti arī neparasti supravadītāji un mēģinājumi atrast materiālus ar vēl augstāku Tc vai pat supravadību pie istabas temperatūras.

Praktiski noteikumi

  • Supravadītāja darbība ir atkarīga no trīs kritiskajiem parametriem: temperatūras, magnētiskā lauka un strāvas. Pārsniedzot jebkuru no tiem, materiāls pāriet atpakaļ uz parastā vadītāja stāvokli.
  • Izmantojot dzesēšanu (piem., šķidrs hēlijs vai šķidrs slāpeklis) var sasniegt nepieciešamo zemāko temperatūru.
  • Praktiskajās ierīcēs bieži izmanto Type II supravadītājus un flux pinning, lai nodrošinātu stabilu magnētisko levitāciju vai saglabātu magnētiskus laukus.

Supravadītāju izpēte turpina attīstīties — gan teorētiski, gan materiālu meklējumos un praktiskajā pielietojumā — ar mērķi samazināt dzesēšanas izmaksas un paplašināt tehnoloģiskās iespējas.