Suprajohtavuuden perusteet

Suprajohtavuus ilmiönä löydettiin 1911 kun Heike Kamerlingh Onnes tutki elohopean jäännösresistanssia. Siihen aikaan uskottiin, että metallien resistanssi kasvaisi absoluuttista nollapistettä lähestyttäessä. Kuitenkin kun elohopean lämpötila oli laskenut 4.2 K:iin sen resistanssi yhtäkkiä putosi mittaustarkkuuden rajoissa nollaan. Koetta toistettaessa näin tapahtui yhä uudestaan. Selitystä ilmiölle jouduttiinkin sitten odottamaan aina 1950-luvulle asti. 1933 Meissner ja Ochsenfeld löysivät suprajohtavuuden toisen merkittävän ominaisuuden: suprajohde sulkee magneettikentän sisältään. Myöhemmin tämä osoittautui olevan hedelmällisempi lähestymistapa suprajohtavuuden teoriaan kuin nolla resistanssi.

Ensimmäinen teoria suprajohtavuudesta oli Meissnerin ilmiön fenomenologisesti selittävä Londonien teoria. 1950 Ginzburg ja Landau esittivät semi-fenomenologisen teoriansa, jota yhä käytetään monien suprajohtavuudesta aiheutuvien ilmiöiden selittämiseen. Mikroskooppinen teoria suprajohtavuudesta saatiin vuonna 1957, kun Bardeen, Cooper ja Schrieffer julkaisivat oman BCS-teoriansa. Tämä teoria selittää hyvin matalien lämpötilojen suprajohteiden ominaisuudet ja suurimman osan myös korkean lämpötilan suprajohteiden ominaisuuksista, tosin ei aivan kaikkea.

Alkuaineista 26 on suprajohtavia normaalipaineessa, ja lisäksi 10 muuta korkeassa paineessa tai ohuina filmeinä (SLIDE 3). Korkein kriittinen lämpötila on niobiumilla ($T_c$ = 9.25 K). Ensimmäinen suprajohde pumpatun vedyn lämpötila-alueella, NbN, löydettiin 1941, sen kriittinen lämpötila on 15 K. Myöhemmin todettiin, että monilla muilla AB ja A$_3$B rakenteisilla yhdisteillä on myös suprajohdetransitio 30 K alapuolella. Myös joidenkin orgaanisten aineiden on todettu olevan suprajohteita, tosin vain kun $T <$ 10 K.

Kun Bednorz ja Müller vuonna 1986 huomasivat La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$:n muuttuvan suprajohtavaksi 35 K:ssä, alkoi korkean lämpötilan suprajohteiden kausi. Seuraavana vuonna Wu et al. löysivät 92 K:ssä suprajohtavaksi muuttuvan YBa$_2$Cu$_3$O $_{6+x}\ (x \approx 0.9)$. Näin suprajohtavan tilan saavuttamiseen voitiin käyttää halpaa nestemäistä typpeä. Samasta rakenneperheestä löytyi myöhemmin muitakin korkean lämpötilan suprajohteita: Bi$_2$Sr$_2$Ca$_2$Cu$_3$O$_{10}$ (BSCCO-2223, $T_c =$ 110 K), Tl$_2$Ba$_2$Ca$_2$Cu$_3$O$_10$ ($T_c =$125 K) ja tämänhetkisen ennätyksen haltija HgBa$_2$Ca$_2$Cu$_3$O$_{8-x}$, jonka $T_c =$ 135 K ja voimakkaan paineen alla $T_c =$ 164 K.

Kriittisen lämpötilan kehitys