Kaip veikia superlaidininkas?

Norint suprasti, kaip veikia superlaidininkas, gali būti naudinga pirmiausia ištirti, kaip veikia įprastas laidininkas. Tam tikros medžiagos, tokios kaip vanduo ir metalas, leidžia gana lengvai per juos tekėti elektronams, pavyzdžiui, vandeniui per sodo žarną. Kitos medžiagos, tokios kaip mediena ir plastikas, neleidžia elektronams tekėti, todėl laikomos nelaidžiomis. Bandymas paleisti per juos elektrą būtų panašus į vandenį per plytą.

Netgi tarp medžiagų, kurios laikomos laidžiomis, gali būti didelių skirtumų, kiek elektros iš tikrųjų gali praeiti. Elektrine prasme tai vadinama varža. Beveik visi įprasti elektros laidininkai turi tam tikrą varžą, nes jie turi savo atomus, kurie blokuoja arba sugeria elektronus, kai jie praeina per laidą, vandenį ar kitą medžiagą. Nedidelis pasipriešinimas gali būti naudingas norint kontroliuoti elektros srautą, tačiau jis taip pat gali būti neefektyvus ir švaistomas.

Superlaidininkas perima pasipriešinimo idėją ir apverčia ją ant galvos. Superlaidininką paprastai sudaro sintetinės medžiagos arba metalai, tokie kaip švinas arba niobio titanas, kurių atomų skaičius jau mažas. Kai šios medžiagos sustingsta iki beveik absoliutaus nulio, kokie atomai jose beveik sustoja. Be visos šios atominės veiklos, elektra gali tekėti per medžiagą praktiškai be pasipriešinimo. Praktiškai kompiuterio procesorius arba elektrinio traukinio bėgiai su superlaidininku savo funkcijoms atlikti sunaudotų labai mažai elektros energijos.

Akivaizdžiausia superlaidininko problema yra temperatūra. Yra keletas praktinių būdų, kaip peršaldyti didelius superlaidžios medžiagos kiekius iki reikiamo pereinamojo taško. Kai superlaidininkas pradeda įkaisti, pradinė atominė energija atkuriama ir medžiaga vėl sukuria pasipriešinimą. Praktiško superlaidininko gudrybė yra surasti medžiagą, kuri kambario temperatūroje tampa superlaidžia. Iki šiol mokslininkai neaptiko jokio metalo ar kompozicinės medžiagos, kuri prarastų visą savo elektrinę varžą esant aukštai temperatūrai.

Norėdami iliustruoti šią problemą, įsivaizduokite standartinę varinę vielą kaip vandens upę. Elektronų grupė yra valtyje ir bando pasiekti tikslą prieš srovę. Pasroviui tekančio vandens jėga sukuria pasipriešinimą, dėl kurio valtis turi dar labiau stengtis, kad praplauktų visą upę. Kai laivas pasiekia savo tikslą, daugelis elektronų keleivių yra per silpni, kad galėtų tęsti. Taip atsitinka su įprastu laidininku – dėl natūralios varžos prarandama galia.

Dabar įsivaizduokite, jei upė būtų visiškai užšalusi, o elektronai būtų rogėse. Kadangi pasroviui netekėtų vanduo, nebūtų ir pasipriešinimo. Rogės paprasčiausiai prasiskverbtų per ledą ir saugiai nusodintų prieš srovę beveik visi elektronų keleiviai. Elektronai nepasikeitė, bet upę pakeitė temperatūra, kad ji nepatirtų pasipriešinimo. Ieškoti būdo, kaip užšaldyti upę esant normaliai temperatūrai, yra pagrindinis superlaidininkų tyrimų tikslas.