Suprajohtavuus – mikä siinä on niin erikoista?

PÖYDÄLLE on pantu astia, joka muistuttaa puolivälistä katkaistua, polystyreenista prässättyä kahvimukia. Sen pohjalla on jotain mustaa ainetta oleva pienen napin kokoinen pilleri. Pillerin päällä on sitäkin pienempi metallipala. Nuori opiskelija kaataa mukiin höyryävää nestettä varovasti, vähän kerrallaan. Kaikki pöydän ympärille kerääntyneet odottavat innokkaina, mitä tuleman pitää.

Aluksi neste pihisee ja sähisee pudotessaan mukin pohjalle. Pian sihinä lakkaa ja tulee aivan hiljaista. Sen jälkeen pieni metallipala alkaa huojua kuin tanssija. Yhtäkkiä pala irtoaa pillerin päältä ja alkaa leijua ilmassa! Opiskelija ottaa käteensä rautalangasta taivutetun silmukan ja siirtää sitä ilmassa niin että metallipala menee silmukasta läpi. Kyseessä ei siis ole silmänkääntötemppu – pala tosiaankin leijuu ilmassa.

Tämän suprajohtavuuskokeen teki ryhmä oppilaita kalifornialaisessa lukiossa. Vain vuosi pari sitten olisi tällainen koe onnistunut ainoastaan merkittävän rahoituksen turvin toimivissa tutkimuslaboratorioissa, joilla on käytettävissään monimutkaisia välineitä. Jos lukiolaiset pystyvät nykyään kemiantunneillaan tällaiseen, se on osoitus siitä, miten nopeasti kehitys menee tällä tutkimusalalla eteenpäin.

Eräässä Time-aikakauslehden erityisartikkelissa oli viime toukokuussa otsikkona ”Suprajohteet – hätkähdyttävä läpimurto, joka voi muuttaa maailmamme toisenlaiseksi”. Newsweek-lehden otsikkona oli ”Sähkön uusi vallankumous”. Aikakauslehti Life oli otsikoinut artikkelinsa ”Pikaruokafysiikkaa” viitteeksi siitä, miten nopeaa kehitys on ollut tällä alalla. Mitä suprajohtavuudella oikein tarkoitetaan? Ja miksi siihen on pantu paljon toiveita?

Ihanteellisen materiaalin etsintää

Sähkönjohtavuudella tarkoitetaan aineen kykyä johtaa sähkövirtaa. Useimmat meistä tietävät, että sellaiset aineet kuin lasi ja posliini eivät johda sähköä. Toisaalta metallit, kuten kupari, kulta ja platina, ovat hyviä johdeaineita siitä syystä, että ne jarruttavat melko vähän sähkövirran kulkua niiden läpi. Suprajohtavuus puolestaan tarkoittaa, että aine on menettänyt täysin sähkövastuksensa eli että on saavutettu ihannetila, jossa sähkövirta voi kulkea aineessa esteettömästi ja ilman virtahäviöitä.

Tiedemiehet ovat jo pitkään nähneet mielessään, miten todella mahtaviin sovellutuksiin tällainen ihanteellinen materiaali – suprajohde – antaisi mahdollisuuden. Jos esimerkiksi voimansiirtolinjat tehtäisiin suprajohteista, päästäisiin eroon paitsi suurista energiahäviöistä, joita sähkövastus perinteisissä johtimissa aiheuttaa, myös maisemaa rumentavista ja kalliista voimalinjoista, joita risteilee maaseudulla eri suuntiin. Suprajohteita käyttämällä voitaisiin nostaa mikropiirien pakkaustiheyttä ja rakentaa supertietokoneita, jotka olisivat nykyistä nopeampia ja tehokkaampia. Suprajohtavien aineiden epätavallisia magneettisia ominaisuuksia hyödyntämällä voitaisiin tuottaa uusia voimakkaita sähkömagneetteja, joiden avulla sellaisista kokeiluasteella olevista keksinnöistä kuin lääketieteellisistä magneettikuvausvälineistä, huippunopeista leijuvista junista, jättimäisistä hiukkaskiihdyttimistä ja jopa fuusioenergiaa tuottavista reaktoreista tulisi lopulta käytännöllisiä ja käyttökelpoisia.

Niin kiehtovalta kuin tällainen kuulostaakin, asiaan liittyy eräs suuri hankaluus. Tiedemiehet ovat jo yli 75 vuotta tienneet, että eräät metallit voivat olla myös suprajohtavia, mutta ainoastaan siinä tapauksessa, että niitä on jäähdytetty äärimmäisen alhaisiin lämpötiloihin, yli 200 pakkasasteeseen. Vuonna 1911 keksi hollantilainen Heike Kamerlingh Onnes ensimmäisenä suprajohtavuusilmiön. Tätä ennen hän oli onnistunut kehittelemään menetelmän, jonka avulla voitiin nesteyttää heliumia, minkä johdosta hänelle myönnettiin fysiikan Nobelin palkinto vuonna 1913, ja nyt hän tutki alhaisten lämpötilojen vaikutusta eri metalleihin. Yllättäen hän havaitsi, että elohopeasta katosi sähkövastus kokonaan −269°C:ssa eli 4 K:ssa, 4 asteessa niin sanotun absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.a

Vaikka suprajohtavuus keksittiinkin aivan sattumalta, sen arvo oivallettiin hyvin pian. Pahimpana esteenä oli kuitenkin se äärimmäisen alhainen lämpötila, jossa aine muuttuu suprajohtavaksi. Tästä lämpötilasta puhutaan kriittisenä lämpötilana. Kovan kylmyyden ylläpitäminen osoittautui niin kalliiksi ja siinä työskenteleminen niin paljon hankalaksi, että suprajohtavuuden käytännöllinen arvo näytti jäävän vähäiseksi. Seuraavina vuosikymmeninä tutkijat tekivät kokeita muilla aineilla toivoen löytävänsä jotakin, mikä muuttuisi suprajohtavaksi korkeammissa lämpötiloissa. Edistyminen oli kuitenkin hidasta.

Vuosien saatossa suprajohteilla havaittiin olevan muitakin ominaisuuksia. Yksi tärkeimmistä keksittiin vuonna 1933: kun suprajohde pantiin magneettikenttään, magneettikenttä ei päässyt laisinkaan työntymään siihen, vaan se hylki magneettikenttää tai magneettikenttä hylki sitä. Lukiolaisten kokeessa tapahtunut leijuminen selittyy juuri tällä niin sanotulla Meissnerin ilmiöllä. Tämä havainto johti siihen, että alettiin etsiä uudelleen materiaaleja, jotka muuttuisivat suprajohtaviksi korkeammissa lämpötiloissa. Kehitys eteni silti etananvauhtia. Vielä niinkin äskettäin kuin vuonna 1973 edusti tutkimustyön huippua metalliseos, joka muuttui suprajohtavaksi 23 K:ssa eli −250°C:ssä, edelleenkin epäkäytännöllisen alhaisessa lämpötilassa. Seuraavat 12–13 vuotta tutkimus polki enemmän tai vähemmän paikallaan.

Kohti korkeampia lämpötiloja

Tapahtumat saivat uuden käänteen, kun kaksi tutkijaa IBM:n Zürichin tutkimuslaboratoriosta keksi, että kenties toisten tutkijoiden vaatimaton menestys johtui siitä, että nämä olivat etsineet ratkaisua vääränlaisista aineista. Siihen saakka tutkimuksessa oli keskitytty etupäässä metalleihin ja metalliseoksiin. ”Tulin vakuuttuneeksi siitä, että tuo reitti oli nyt käyty loppuun”, sanoi Alex Müller, toinen näistä tutkijoista.

Müller alkoi työtoverinsa Georg Bednorzin kanssa tehdä kokeita metallioksideilla vuonna 1983. Vuoden 1986 alussa he olivat saavuttaneet ensimmäisen huomattavan edistysaskeleen moniin vuosiin keksimällä aineen, joka muuttuu suprajohtavaksi 35 K:n eli −236°C:n lämpötilassa. Aineena oli bariumin, lantaanin, kuparin ja hapen yhdiste. Kun uutinen tästä lopulta julkaistiin syyskuussa 1986, olivat tutkijat eri puolilla maailmaa yllättyneitä. Sveitsiläisen laboratorion tutkijat olivat nimittäin käyttäneet erästä keraamista materiaalia, joka normaalisti toimii eristeenä, eikä kukaan ollut osannut odottaa, että sen käyttö johtaisi suurimpaan läpimurtoon vuosikymmeniin.

Toistaan parempia suprajohtavuuden ennätyksiä tuli nyt nopeassa tahdissa. Helmikuussa 1987 huomasi Houstonin yliopistossa C. W. Chun johtama ryhmä erään materiaalin muuttuvan suprajohteeksi ennätysmäisen korkeassa 93 K:n eli −180°C:n lämpötilassa, kun Müllerin seoksen sisältämä lantaani oli korvattu siinä yttriumilla, toisella harvinaisiin maametalleihin kuuluvalla alkuaineella.

Tämä saavutus avasi uuden luvun suprajohteiden tutkimuksessa. Siihen asti tutkittavat materiaalit oli ollut pakko jäähdyttää nestemäisellä heliumilla riittävän alhaisiin lämpötiloihin, ja se tuli hyvin kalliiksi ja oli hyvin monimutkaista. Uuden suprajohteen jäähdyttämiseen riitti nyt nestetyppi, joka nesteytyy 77 K:ssa eli −196°C:ssä. Nestemäistä typpeä on helposti saatavissa, se maksaa vain suunnilleen saman verran kuin maito ja sitä voidaan käsitellä ilman mutkikkaita laitteistoja. Tämä yhdessä sen tosiasian kanssa, että oksidimateriaalia on myös helppo valmistaa ja se on halpaa, antoi vauhtia suprajohdetutkimukselle.

Lopullisena tavoitteena on tietenkin normaalissa huoneenlämmössä toimiva suprajohde, jota ei enää tarvitsisi jäähdyttää, ja kaikkialla maailmassa tutkijat etsivät nykyään kuumeisesti tällaista ainetta. Itse asiassa on jo tullut tietoja materiaalikokeista, joissa ohimenevästi on saatu aikaan huoneenlämmössä toimivaa suprajohtavuutta.

Viime toukokuun loppuun mennessä oli Chu ryhmänsä kanssa parantanut omaa ennätystään. Pieni osa tämänkertaisesta näytteestä oli muuttunut suprajohtavaksi 225 K:n eli −48°C:n lämpötilassa, mutta vain ajoittaisesti. ”Sen havaitsee kyllä heti, hetken päästä se katoaa, mutta se näkyy jälleen”, sanoi Pei-Heng Hor, yksi ryhmän jäsenistä. Toinen ryhmä, joka työskentelee Kalifornian yliopiston Berkeleyn-laitoksilla, raportoi havainneensa koemateriaalissaan suprajohtavuutta 292 K:n eli +19°C:n lämpötilassa, mutta koetta ei pystytty enää toistamaan.

Kultainen aika käden ulottuvilla?

Moni on saanut innostusta huokuvista suprajohdeuutisista sen vaikutelman, että me olemme nyt uuden aikakauden, tekniikan kultaisen ajan, kynnyksellä. Pikapuoliin elämämme pitäisi kuulemma muuttua yhtä paljon kuin se aikoinaan muuttui sähkövalon ja transistorin keksimisen ansiosta. Onko kaikki se ihmeellinen, jonka oletetaan käyvän suprajohteiden avulla mahdolliseksi, tosiaankin jo miltei ulottuvilla?

Ensinnäkin ”meidän on saatava paljon lisää tieteellistä perustietoa, ennen kuin pystymme käyttämään suprajohtavuutta yleisesti hyödyksemme”, toteaa Yhdysvaltain kansallisen tiedesäätiön johtaja Erich Bloch. Tutkijat eivät ole vielä pystyneet selvittämään suprajohtavuuden syntymisen perusmekanismia keinotekoisissa keraamisissa aineissa.

Tämän takia monien asiantuntijoiden mielestä tulee todennäköisesti kulumaan vielä vuosia, ennen kuin laboratorioista saadaan sellaisia suprajohteita, joille löytyy hyödyllistä käyttöä. ”Nämä materiaalit tarjoavat suuria mahdollisuuksia, mutta lehdistön laatima aikataulu ei pidä paikkaansa”, sanoo eräs tutkija Yhdysvaltain kansallisesta standardisointivirastosta. ”Kestää vielä viisi vuotta, ennen kuin näemme niitä ohuina kalvoina tietokoneissa, ja kaksikymmentä vuotta, ennen kuin näemme käytettävän niitä suuremmissa sovellutuksissa.”

Yhtenä esteenä on se, että uusia, korkean lämpötilan suprajohteita ei voida muokata eikä työstää niin kuin metalleja. Eivätkä nämä hauraat materiaalit kestä juuri laisinkaan taivuttelua, minkä tietää jokainen, jolta on joskus pudonnut savi- tai posliinilautanen. Jotta uusille suprajohteille olisi käyttöä käytännön sovellutuksissa, ne täytyy valmistaa langoiksi ja kalvoiksi. Mikäli niitä halutaan käyttää esimerkiksi tietokoneissa ja mikropiireissä, ne olisi valettava vain millimetrin miljoonasosien paksuisiksi kalvoiksi. Sähkömoottorien ja magneettien käämityksiin tulevien johtimien täytyisi olla ohuita ja taipuisia ja voimansiirtojohtimien lujia ja venytystä kestäviä.

Tilannetta mutkistaa sekin, että tiedemiehet eivät ole varmoja, sietävätkö suprajohteet voimakkaita sähkövirtoja ja magneettikenttiä, mitä monet sovellutukset edellyttävät. Kaikilla suprajohteilla on kynnys, jonka yläpuolella niiden suprajohtavuus häviää. Tällä hetkellä kynnys on melkoisen matalalla. Kenties kaikki nämä ongelmat saadaan ratkaistuksi, mutta ei vielä huomenna.

Kehityksellä on myös pahaenteinen puolensa. On jo ollut puhetta suprajohteiden käyttämisestä avaruussodankäyntiin tarkoitetuissa hiukkas- ja laseraseissa. Osoittautuuko suprajohtavuus sellaiseksi siunaukseksi, jota kaikki ennustavat ja toivovat, vai osoittautuuko se yhtä mullistavaksi keksinnöksi kuin olivat ruuti ja atomiytimen halkaiseminen aikoinaan? Siinä kysymys, johon kukaan ei näytä olevan valmis vastaamaan.

[Alaviitteet]

[Tekstiruutu s. 21]

Suprajohteiden tarjoamat mahdollisuudet

”Käyttökelpoiset typpijäähdytteiset suprajohteet voisivat säästää sähkölaitoksille miljardeja – ja säästää niin paljon energiaa, että ainakin 50 voimalaa voitaisiin panna seisomaan”, kirjoittaa Business Week. Voimalat voisivat suprajohtavilla generaattoreilla tuottaa enemmän sähköä, ja suprajohtavien voimansiirtolinjojen ansiosta voimalat voitaisiin saasteiden, kustannusten ja vaaratekijöitten vähentämiseksi rakentaa kauemmas kaupungeista.

500 kilometriä tunnissa kiitävät junat, jotka leijuvat kiskojen yläpuolella magneettikentän kannattamina, saattavat tulla liikenteeseen kevyitten suprajohtavien magneettien ansiosta. Sähköautot, joiden voimanlähteenä on tehokas suprajohtava moottori, voivat vähentää ilman saastumista kaupunkialueella. Laivoissakin voitaisiin käyttää voimanlähteenä tällaisia sähkömoottoreita.

Nyt jo on tietokoneisiin kehitteillä suprajohtavia mikropiirejä, jotka ovat tuhat kertaa nopeampia kuin nykyiset piitransistorit. Paitsi että tällaisten piirien ansiosta tietokoneet ovat tulevaisuudessa nopeampia, ne myös tuottavat paljon vähemmän lämpöä ja ovat pienikokoisempia. Pöydällä pidettävät tietokoneet tulevat olemaan yhtä tehokkaita kuin tämän päivän suurtietokoneet.

Magneettikuvauslaitteilla (NMR) ja huippuherkillä SQUID-mitta-antureilla voidaan tutkia ihmisen elimistöä ja rekisteröidä aivoissa syntyneitä magneettikenttiä. Suprajohdetekniikan avulla tällaiset laitteet saattavat halveta ja muuttua yksinkertaisemmiksi, jolloin ne ovat paremmin tavallisten sairaaloitten ja klinikoitten ulottuvilla.

Suprajohteet tarjoavat siis paljon mahdollisuuksia. Se, missä määrin ne toteutuvat, jää nähtäväksi.

[Kuvan lähdemerkintä s. 19]

IBM Research