Supereroankortasun

CERNeko azeleragailuentzako kable elektrikoak: Goian, regular cables for LEP; Azpian, LHCarentzako kable supereroaleak.

Erresistentzia elektrikoa korronte elektrikoaren garraiapenari material batek jartzen dion traba da. Ohmen legearen bidez kalkula daiteke R=V/I, non V eta I potentzial tentsioa eta korronte elektrikoa diren hurrenez-hurren. Erresistentziaren unitatea nazioarteko sisteman ohmnioa dugu, Georg Simon Ohm fisikari alemaniarraren omenez, ikurra ${\displaystyle \Omega }$. Berau neurtzeko korronte bat pasarazten da materialetik eta tentsioa erorketa neurtzen da, V=0 bada orduan erresistentzia zero dugu eta material hori egoera supereroalean dagoela esan genezake.

Supereroaleek korronte elektriko bat mantendu dezakete tentsiorik aplikatu gabe, elektroimanak egiteko erabiltzen den propietatea dugu, adibidez medikuntzan erabiltzen diren erresonantzia magnetiko nuklearrak egiteko makinetakoak. Neurketek diote 100.000 urtez iraun dezakela korronte batek harila batean biraka, beste kalkulu teorikoek diote unibertsoaren adina baino luzeagoa den denbora periodo batean egotera irits zitekeela.

Eroale arrunt batean, korronte elektrikoa metaletan zehar doan elektroien higidura dela jo dezakegu. Elektroiek etengabe talka egiten dute metalean dauden ioi positiboekin, eta garraiatzen duten energiaren zati bat ioiak xurgatzen du bibrazio energiatzat (beroa). Horrela, korrontearen energia denbora guztian barreiatzen ari da. Aldiz, supereroaletarako ezin dugu ikuspegi hori erabili.

Bero ahalmen (c_v) eta erresistibitatearen (ρ) portaera supereroankortasunerako fase trantzisioan

Supereroaleek tenperatura kritiko baten azpitik soilik jokatzen dute era berezi horretan. ${\displaystyle T_{c}}$ hori materialetik materialera aldatzen da, adibidez supereroale arruntetan, merkurioa kasu, 1 K eta 20 K arteko balioak hartzen ditu tenperatura kritikoak, merkurioan zehazki 4.2 K. 2001 urterarte ${\displaystyle MgB_{2}}$ zen 39 K-etako tenperatura kritikoarekin material arruntetako tenperatura kritiko handiena zuena, eta dirudiena baino exotikoagoa da, beste boranoekin konparatuz ${\displaystyle T_{c}}$ oso altua baitauka.

Kobrearen oxidoekin osatutako supereroaleek 92 K-eko tenperatura kritikoak dituzte, adibidez ${\displaystyle YBa_{2}Cu_{3}O_{7}}$, eta merkurioz egindakoak 130 K-etako tenperatura kritikora heldu dira. Badirudi 150 K-etakoa dela gaur egungo errekorra. Material supereroale arruntetarako (lehengo motakoetarako) badago azalpen teorikorik propietate hau azaltzeko, aldiz ezin da azken hauetara hedatu (bigarren motakoak). Supereroankortasunera daramatzan prozesua fase trantsiziotzat hartzen da beste propietate fisiko batzuk aldatu egiten direlako ere bai. Materialaren bero espezifikoak, kasu, jauzi bat jasaten du; supereroale izatera pasatzen den trantsizioan lineala izatetik ${\displaystyle e^{-\alpha /T}}$ bezalako menpekotasuna izatera pasatzen da, ${\displaystyle \alpha }$ konstante arbitrarioa izanik.

Supereroale bati ${\displaystyle {\vec {B}}}$ eremu magnetiko ahul bat aplikatzen badiogu, eremua materialean ${\displaystyle \lambda }$ distantzia bat sartuko da, Londonen sartze-sakonera deritzona, baina segituan eremua barruan zerora joango. Meissner efektua deritzo supereroaleen barruan eremu magnetikoak egotearen ezintasunari, baina ez da diamagnetismo perfektuarekin nahastu behar, supereroaleen propietate esklusiboa baita. Egia da supereroaleak suszeptibilitate magnetiko perfektua dutela, ${\displaystyle \chi _{m}=-1}$, iragazkortasuna zero balitz bezala. Baino Meissner efektua haratago doa.

Diamagnetismo perfektuarekin duen ezberdintasuna zera da, Lenz-en legeari esker material diamagnetiko perfektu bat magnetizatzen saiatuko bagina, honek kontrako eremu magnetikoa sortuko lukeela bere gainean aplikatutakoa deuseztatzeko. Baina egoera supereroalera iritsi aurretik materialaren barruan eremu magnetikorik balego hortxe jarraituko luke. Aldiz Meissner efektuagatik, supeeroalearen barruan, hozketa aurretik zuen eremua kanporatuko luke, guk aplikatuko geniokenaz aparte.

Meissner efektuaren azalpen teorikoa Maxwellen ekuazioetako bat eta Londonen ekuazioa erabilita lortzen dugu:

${\displaystyle \nabla \times {\vec {B}}=\mu _{0}{\vec {J}}_{d}}$

Hauxe dugu Maxwellen ekuazioa.

${\displaystyle \nabla \times {\vec {J}}_{d}={\frac {-{\vec {B}}}{\mu _{0}\lambda ^{2}}}}$

Hau Londonen ekuazioa da. Maxwellen ekuazioa eta nabla eragilearen arteko biderkaketa bektoriala eginez, ${\displaystyle \nabla \times {\vec {B}}=0}$ dela jakinda eta analisi bektoriala erabilita:

${\displaystyle \nabla \times (\nabla \times {\vec {B}})=-\nabla ^{2}{\vec {B}}}$

Hala bada, berdinduz:

${\displaystyle \nabla ^{2}{\vec {B}}={\frac {\vec {B}}{\lambda ^{2}}}}$

Ekuazio hori xafla erdi-infinitu batean ebazten badugu, dimentsio bateko emaitza ondokoa dugu:

${\displaystyle B_{x}(z)=B_{x0}e^{-z/\lambda }}$

Ekuazio horretan ikus dezakegunez ${\displaystyle {\vec {B}}}$ eremu magnetikoa zerora jaisten da xaflan sartzen den bitartean. Lambdaren magnitude ordena nanometro ingurukoa dugu, esan daiteke benetan azkarra izan daitekela ekuazio horren abiadura. Beraz argi dago eremua barnean, Londonen lambdako sakoneratik barrura, ${\displaystyle {\vec {B}}=0}$ dugula eta sakonera hori arbuiatu dezakegu orokortuz barruan eremua zero dela.

Efektu hau da fisikako dibulgatzaileek erabiltzen dutenetako bat jendea erakartzeko esperimentu harrigarri baten bidez. Material supereroale bat, ${\displaystyle T_{c}}$ altukoa, hoztu egiten dute nitrogeno likidoa erabiliz eta magneto txiki bat jartzen dute gainean, argi ikusi daiteke nola iman txiki horrek lebitatu egiten duen sarritan jendea ahozabal utzirik, gainera guztiz geldi egon daiteke edo mugitzen aritu marruskadurarik gabe.

Lehenego motako supereroaleak ingurugiro tenperaturan eroankortasunik erakusten duten metal edo erdi-metaletaz osatzen da. Tenperatura ikaragarri baxuak behar dituzte bibrazio molekularrak geldiarazteko, elektroi-pare askeei erraztasunez ibiltzen uzteko BCS teoriak aurresaten duen bezala. BCS teoriak dio elektroiak Cooper pareetan biltzen direla, hau da, binaka, elkarri trabak saihesten laguntzeko.

Mekanika kuantikoaren arabera elektroi bikoteen fluidoaren energia espektroak tarte debekatu bat dauka. Hau da, ${\displaystyle \Delta E}$ minimo bat gainditu behar da fluidoa kitzikatzeko, energia hori sarearen energia baino handiagoa bada, sareak ez du fluidoa sakabanatuko eta Cooperren elektroi pareetako fluido hori superfluidoa izango da marruskadurarik gabe ibili ahalko delarik sarean barna. Honela azaltzen du lehenego motako materialen supereroankortasuna mekanika kuantikoak.

Material hauen gainean supereroankortasun egoeran daudenean eremu magnetiko handiegia aplikatzen bada, balio kritiko batetik gorakoa, Meissner efektua eta berarekin supereroankortasuna desagertu egiten dira zuzenean.

Beruna, merkurioa, indioa, lantanoa, eztainua, uranioa, titanioa, kromoa, galioa, aluminioa besteak beste dira lehenego mota hontakoak. Ingurugiro tenperaturan eroankortasun handiena aurkezten duten metalek aldiz, kobrea, zilarra, urrea, ez dira supereroaleak. Presio altuak aplikatuz beste elementu batzuk supereroale izatera pasa daitezke, adibidez fosforoa 2.5 Mbar-etako presioan ${\displaystyle T_{c}}$ handiena duen I motako materiala da.

Vanadio, teknezio eta niobioaz aparte bigarren motako supereroaleak konposatu eta aleazio metalikoak dira. Orain dela gutxi aurkitutako perovskiten taldea hemen sartzen da, perovskitak metal oxidotaz osatutako keramikak dira, topatu ziren arte oxidoek erresistibo fama zeukaten, eta ez edonolakoa, baina gaur egun material hauen propietate supereroaleek txunditurik ditu ikertzaileak eta ezin izan dute oraindik teorikoki argitu.

Materialaren egitura mikroskopikoa dela eta, tarteko egoerak sortzen dira bigarren motako konposatuetan. Egoera konbinatuak non supereroale diren zatiak eta eroale arrunt direnak nahasten diren. Hau da, meissner efektua soilik egituraren atal batzuetan gertatzen da guztiz supereroale izan arte

Gainera, supereroale egoerara iristeko gradualki joaten da euren suszeptibilitatea lehenego motakoak ez bezala, hauen erresistibitatea kolpean jaisten da. Bigarren motako materialak supereroaletasuna lortzeko tarteko egoera batean egon behar dute lehenik, lehen azaldu duguna hain zuzen.

Lebitazio magnetikoa, Maissner efektuarekin ulertzen dena, oso erabilgarria da gaur egun. Batez ere propietate honen erabilerak garraioan topatu daitezke. Magneto poteretsuek tren bat lebitatzen jar dezakete eta marruskadurarik gabe trena higiarazi itzelezko abiadurak lor daitezkelarik energia gastu urriarekin. Trenen trakatra ezeroso hori desagertu egingo litzateke mota honetako trenetan. Japonen egun horrelako tren experimentala topa dezakegu, Yamanashi Maglev Test Line deritzona. Hau bera ere iman arruntekin egin zitekeen baina energia elektriko handia xahutuko litzateke bero modura. 2003ko abenduan MLX01 ibilgailuak 581 Km/H abiadura lortu zuen, supereoaleen bidez lebitatzen duen trenetako prototipo batek hain zuzen ere. 1997. urtean Birmingham hiri inglesean 11 urtez era komertzialean ibilitako munduko lehenego MAGLEV trenak itxi behar izan zuen horrexegatik. Shangain, Pudong International Airporten maglev motako tren bat dabil 30 Km-ko ibilbidea eginez.

Medikuntzarako oso erabiliak dira supereroaleen bidez egindako elektroimanak. Erresonantzia magnetikoak egiteko adibidez, gorputzari eremu magnetiko bat aplikatzen zaio eta gure barneko hidrogeno atomoak (uran daude) eta beste zenbait molekula astunek erradiazio detektagarria igortzen dute. Honela gure gorputzeko atal desberdinen barruko irudiak ikusi ditzazkegu X-izpiak aplikatu ezin daitezken tokietan, edo X-izpiek ikusten ez dituzten gauzak ikusi. Magnetoenzefalografiak egiteko erabiltzen dira ere bai. Korea Research Institute of Standards ans Science, KRISS delakoaren barruko supereroankortasunaren aplikazioak ikertzen dituen taldeak SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) delako makinaren bidez, gauss bat baino ehun miloi aldiz ahulagoa den eremu magnetiko baten aldaketa topa dezake, hau da, ${\displaystyle 10^{-15}}$ teslatako zehaztasuna du. Honen bidez gure gorputzean eremu magnetiko txikiak aplikatuta ere SQUIDaren bidez detaile txikienak ere ikus daitezke, arrisku biologikoa minimizatuz.

Partikula azeleragailuetan, nola ez, elektroimanen erabilera zilegi da, eta elektroiman hauek egiteko supereroaleak erabiltzen dituzte. Adibidez CERN famatuan, Large Hadron Collider, edo LHC delako partikula azeleragailuak honelako imanak erabiltzen ditu partikulak argiaren abiadurarekin konparagarriak diren abiadetara irits daitezen, energia handiko talkak gertarazteko. Talka hauen bidez partikula berriak sortzen dira, eta horiek dira detektagailuetan ikusten direnak, gero euren ibilbidea eta beste zenbaitatu prozesatuz ikertu egiten dute euren natura, eta identifikatu egiten dituzte teoriak osatu, eraiki edo frogatzeko.

${\displaystyle T_{c}}$ altuko supereroaleez egindako sorgailu elektrikoak oso eraginkorrak dira gaur egun. Kobrezko hariaz egindakoak baino askoz etekin handiagoa lortzen dute, %99 baino handiagoa. Gainera euren tamaina, sorgailu arrunten erdia da.