Ülijuhtivuse rakendamine teaduses ja tehnoloogias
Ülijuhtivust nimetatakse kvantnähtuseks, mis seisneb selles, et mõned materjalid, kui nende temperatuur on viidud teatud kriitilise väärtuseni, hakkavad avaldama elektritakistust nulli.
Tänapäeval teavad teadlased juba mitusada elementi, sulamit ja keraamikat, mis on võimelised sel viisil käituma. Ülijuhtivasse olekusse läinud juht hakkab näitama, mida nimetatakse Meissneri efekt, kui magnetväli selle mahust nihkub täielikult väljapoole, mis on loomulikult vastuolus hüpoteetilise ideaali, st nulltakistuse, tavalise juhtivusega seotud mõjude klassikalise kirjeldusega.
Ajavahemikul 1986–1993 avastati mitmeid kõrge temperatuuriga ülijuhte, st neid, mis ei lähe ülijuhtivasse olekusse enam nii madalatel temperatuuridel nagu vedela heeliumi keemistemperatuur (4,2 K), vaid keemistemperatuuril. vedela lämmastiku punkt ( 77 K) — 18 korda kõrgem, mis laboritingimustes on saavutatav palju lihtsamalt ja odavamalt kui heeliumiga.
Suurenenud huvi praktilise rakendamise vastu ülijuhtivus sai alguse 1950. aastatel, kui II tüüpi ülijuhid oma suure voolutiheduse ja magnetinduktsiooniga eredalt silmapiiri taha tulid. Siis hakkasid nad omandama üha enam praktilist tähtsust.
Elektromagnetilise induktsiooni seadus ütleb meile, et elektrivoolu ümber on alati olemas magnetväli... Ja kuna ülijuhid juhivad voolu ilma takistuseta, siis piisab lihtsalt selliste materjalide õigest temperatuurist hoidmisest ja seeläbi osade hankimisest ideaalsete elektromagnetite loomiseks.
Näiteks meditsiinidiagnostikas hõlmab magnetresonantstomograafia tehnoloogia võimsate ülijuhtivate elektromagnetide kasutamist tomograafides. Ilma nendeta ei saaks arstid skalpelli kasutamata nii muljetavaldavaid kõrge eraldusvõimega pilte inimkeha sisemistest kudedest.
Suure tähtsuse on omandanud ülijuhtivad sulamid nagu nioobium-titaan ja nioobium-tina intermetallid, millest on tehniliselt lihtne saada stabiilseid õhukesi ülijuhtivaid filamente ja keerdunud juhtmeid.
Teadlased on juba ammu loonud suure jahutusvõimsusega (vedela heeliumi temperatuuritasemel) veeldajaid ja külmikuid, just nemad aitasid kaasa ülijuhtimistehnoloogia arendamisele juba NSV Liidus. Juba siis, 1980. aastatel, ehitati suuri elektromagnetsüsteeme.
Käivitati maailma esimene eksperimentaalrajatis T-7, mis on mõeldud termotuumasünteesi reaktsiooni algatamise võimaluse uurimiseks, kus toroidse magnetvälja tekitamiseks on vaja ülijuhtivaid pooli.Suurtes osakeste kiirendites kasutatakse ülijuhtivaid pooli ka vedela vesiniku mullikambrites.
Arendatakse ja luuakse turbiingeneraatoreid (eelmise sajandi 80ndatel loodi ülivõimsad turbiingeneraatorid KGT-20 ja KGT-1000 ülijuhtide baasil), elektrimootoreid, kaableid, magnetseparaatoreid, transpordisüsteeme jne.
Vooluhulgamõõturid, tasememõõturid, baromeetrid, termomeetrid — ülijuhid sobivad suurepäraselt kõigi nende täppisinstrumentide jaoks.Ülijuhtide tööstuslikuks kasutuseks on peamised põhivaldkonnad kaks: magnetsüsteemid ja elektrimasinad.
Kuna ülijuht ei lase magnetvoogu läbi, tähendab see, et seda tüüpi toode varjestab magnetkiirgust. Ülijuhtide seda omadust kasutatakse täppis-mikrolaineseadmetes, aga ka kaitseks sellise ohtliku tuumaplahvatuse kahjustava teguri eest nagu võimas elektromagnetkiirgus.
Selle tulemusena on madala temperatuuriga ülijuhid endiselt hädavajalikud magnetite loomiseks sellistes uurimisseadmetes nagu osakeste kiirendid ja termotuumasünteesi reaktorid.
Magnetlevitatsioonirongid, mida tänapäeval Jaapanis aktiivselt kasutatakse, suudavad nüüd liikuda kiirusega 600 km/h ning on juba ammu tõestanud oma teostatavust ja tõhusust.
Elektrilise takistuse puudumine ülijuhtides muudab elektrienergia ülekandmise protsessi säästlikumaks. Näiteks maa alla asetatud ülijuhtiv õhuke kaabel võiks põhimõtteliselt edastada võimsust, mille traditsioonilisel viisil edastamiseks oleks vaja paksu juhtmekimpu – tülikat liini.
Praegu jäävad oluliseks ainult kulud ja hooldusprobleemid, mis on seotud vajadusega pidevalt läbi süsteemi lämmastikku pumbata. 2008. aastal käivitas American Superconductor aga New Yorgis edukalt esimese kaubandusliku ülijuhtiva ülekandeliini.
Lisaks on olemas tööstuslik akutehnoloogia, mis võimaldab tänapäeval koguda ja salvestada (akumuleerida) energiat pideva ringleva voolu kujul.
Ülijuhte pooljuhtidega kombineerides loovad teadlased ülikiireid kvantarvuteid, mis tutvustavad maailmale uue põlvkonna arvutustehnoloogiat.
Nähtus ülijuhtivas olekus oleva aine üleminekutemperatuuri sõltuvusest magnetvälja suurusest on juhitavate takistite – krüotronite – aluseks.
Praegu saame muidugi rääkida märkimisväärsest edusammudest kõrge temperatuuriga ülijuhtide saamise suunas.
Näiteks metallkeraamiline kompositsioon YBa2Cu3Ox läheb ülijuhtivasse olekusse temperatuuril, mis on kõrgem kui lämmastiku veeldumistemperatuur!
Enamik neist lahendustest on aga tingitud sellest, et saadud proovid on haprad ja ebastabiilsed; seetõttu on eelmainitud nioobiumisulamid tehnikas endiselt aktuaalsed.
Ülijuhid võimaldavad luua footondetektoreid. Mõned neist kasutavad Andrejevi peegeldust, teised Josephsoni efekti, kriitilise voolu olemasolu fakti jne.
On ehitatud detektorid, mis salvestavad üksikuid footoneid infrapunapiirkonnast, millel on mitmeid eeliseid muudel salvestuspõhimõtetel põhinevate detektorite ees, näiteks fotoelektrilised kordajad jne.
Mälurakke saab luua ülijuhtide keeriste põhjal. Mõnda magnetsolitonit kasutatakse juba sarnasel viisil. Kahe- ja kolmemõõtmelised magnetsolitonid on sarnased vedeliku keeristega, kus voolujoonte rolli täidavad domeeni joondusjooned.
Kalmaarid on miniatuursed rõngapõhised ülijuhtseadmed, mis töötavad magnetvoo ja elektripinge muutuste vahelise seose alusel. Sellised mikroseadmed töötavad ülitundlikes magnetomeetrites, mis on võimelised mõõtma Maa magnetvälja, aga ka meditsiiniseadmetes skaneeritud elundite magnetogrammide saamiseks.