En supraledare är ett material som under en viss kritisk temperatur övergår till ett tillstånd med noll elektriskt motstånd och expellerar magnetfält. Fenomenet skiljer sig från vanlig elektrisk ledningsförmåga genom att övergången är en fasförändring snarare än en gradvis förbättring vid lägre temperaturer. Supraledning gör att elektriska strömmar kan flyta utan energiförluster, vilket öppnar möjligheter för mycket hög verkningsgrad i vissa tekniska tillämpningar. För mer om grunderna i elektriska kretsar, se introduktion till elektricitet.

Egenskaper och grundläggande begrepp

Viktiga parametrar för en supraledare är den kritiska temperaturen (Tc), kritiska magnetfältet och kritiska strömtätheten. Under Tc bildas par av elektroner, så kallade Cooperpar, som rör sig koherent genom kristallgittret utan spridning. Den klassiska teorin för konventionella supraledare beskrivs av BCS-teorin, medan mekanismerna bakom högtemperatursupraledare fortfarande studeras intensivt. Ett karakteristiskt fenomen är Meissner-effekten: en supraledare avvisar magnetfält och blir magnetiskt diamagnetisk, vilket demonstreras genom svävande magneter och ytströmmar mer om Meissner-effekten.

Typer och historik

Supraledare delas ofta in i två huvudklasser: typ I (fullständig avvisning av magnetfält upp till ett kritiskt fält) och typ II (tillåter blandning av normal och supraledande områden i form av fluxvortex vid högre fält). Upptäckten tillskrivs Heike Kamerlingh Onnes 1911 när han fann supraledning i kvicksilver. Senare viktiga genombrott inkluderar teorin av Bardeen, Cooper och Schrieffer och upptäckten av keramiska högtemperatursupraledare av Bednorz och Müller på 1980-talet. För historiska källor, se historisk översikt.

Användningsområden och exempel

Supraledare används där hög strömtäthet eller starka magnetfält behövs utan värmeförluster. Vanliga tillämpningar är magnetiska resonanstomografer (MRI), partikelacceleratorer, supraledande magneter i fusionsforskning, magnettåg (maglev) och extremt känsliga detektorer som SQUIDs. I kraftnätsforskning undersöks supraledande kablar och energilagring med målet att minska överföringsförluster. Exempel på material omfattar metaller som bly och kvicksilver samt keramiska kopparoxider och vissa kolföreningar materialexempel.

Praktiska begränsningar och framsteg

Huvudutmaningarna är behovet av kylning till mycket låga temperaturer, materialens mekaniska sprödhet (särskilt keramiska hög-Tc-material) och kostnader för tillverkning. Forskning riktas mot att hitta supraledare med högre Tc, förbättra strömtålighet genom fluxpinning och utveckla billigare tillverkningsmetoder. Josephson-effekten och tunnling mellan supraledare har också lett till avancerade komponenter i kvantteknologi och elektroniska mätinstrument Josephson och kvantkomponenter.

Viktiga begrepp sammanfattade

  • Meissner-effekt: utstötning av magnetfält från supraledande material förklaring av Meissner.
  • Cooperpar och BCS: mekanism för konventionell supraledning mer om BCS.
  • Typ I/II: olika beteenden i närvaro av magnetfält.

Supraledare är därför både grundläggande för vår förståelse av kvantfenomen i fasta ämnen och av stort tekniskt intresse. Fortsatta framsteg kan göra tekniken mer tillgänglig för energisystem, transport och medicinsk utrustning.