High-temperature superconductors

Koostis / struktuur

Perovskiitidena tuntud keraamiliste materjalide hulka kuuluvad ained. Esimese taoliste ülijuhtide hulka kuuluva aine LaBa₂Cu₃O_7-x (muutub ülijuhiks kriitilisel temperatuuril 35 K) avastasid J. Georg Bednorz ja Karl Alex Müller 1986. a. (Nobeli preemia juba järgmisel aastal).

“Populaareima” kõrgtemperatuurse ülijuhi YBa₂Cu₃O_7-x, mille kriitiline temperatuur on 93 K (- 180 °C) avastas järgmisel aastal (1987) Paul Chang. Tänapäeval on teada ülijuhtivad materjalid veelgi kõrgema kriitilise temperatuuriga, üksi neist (stabiilsete ja kontrollitavate omadustega materjalide hulgas) ei küüni siiski toatemperatuurini.

Omadused

Kriitilisest temperatuurist allpool kaob materjali elektritakistus ja ilmneb Meissneri efekt  – magnetväli ei suuda ülijuhti tungida, ta muutub ideaalseks diamagneetikuks (vt. ka “Grafiit”). Ülijuhtivus iseenesest oli tuntud juba ammu (avastas elavhõbedal Hollandi füüsik Heike Kamerlingh Onnes 1911. a), aga kuni aastani 1986. a. ei usutud, et nähtus võiks esineda ka temperatuuridel oluliselt üle mõnekümne Kelvini kraadi. Kõrgtemperatuursete ülijuhtide avastamine oli viimaste aastakümnete suurimaid üllatusi tahkisefüüsikas, mis vallandas ülikõrge fundamentaal- ja rakendusuuringute laine. Üllatuslikult puudub kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse mehhanismi kohta tänaseni (erinevalt nn. tavalistest ülijuhtidest) üldiselt omaks võetud selgitus, viimaste aastate tööde valguses võib oluline osa olla ka hapniku mittestöhhiomeetriaga seotud tahkise (ühismõõdutul) triipstruktuuril. Ülijuhtivuse mehhanismide uurimisse on kaaluka panuse andnud ka Eesti füüsikateoreetikud.

Saamine

YBa₂Cu₃O_7-x ülijuht saadakse lähteainete Y₂O₃ , BaCO₃, CuO segu kuumutamisel 1000 °C juures ja materjali järgneval rikastamisel hapnikuga kuumutamisel hapniku atmosfääris, optimaalne hapniku kontsentratsioon vastab väärtusele x = 0,08 (kõrgeim kriitiline temperatuur).

Rakendused

Kõrgtemperatuursete keraamiliste ülijuhtide rakenduste areng pole olnud kaugelktki nii edukas, kui algselt loodeti. Põhjusteks materjali töötlemisraskused (mitteplastne habras keraamika) ja suhteliselt väike kriitiline voolutihedus (voolutihedus, mille ületamisel ülijuhtivus kaob magnetvälja kriitilise väärtuse ületamise tõttu) võrreldes “harilike” ülijuhtidega. Vastavad kommertsiaalproduktide arv on seetõttu jäänud küllaltki väikeseks (nt. firma American Superconductor ülijuhtiv kaabel [13.12.03], mis talub sama ristlõikega vaskkaabliga võrreldes 140 korda suuremat voolutugevust).

Näidised

E38.1. YBa₂Cu₃O_7-x tabletid.

E38.2. YBa₂Cu₃O_7-x tablett (Æ 28 mm, paksus 6 mm)

Demod, katsed

D38.1. Ülijuhi levitatsioon magnetväljas (vt. ka “Neodüümmagnetid”). Nõus keeb vedel lämmastik.

D38.2. Ringmagneti levitatsioon ülijuhi kohal. Miks toimuvad torsioonvõnkumised?

Viited:

1. Magnetic Materials – Superconductors [16.10.04]

Tänu: Tea Avarmaa

Koostas: JK