Hvordan fungerer en superleder?

For at forstå, hvordan en superleder fungerer, kan det være nyttigt at undersøge, hvordan en almindelig leder fungerer først. Visse materialer som vand og metal gør det muligt for elektroner at strømme gennem dem temmelig let, som vand gennem en haveslange. Andre materialer, såsom træ og plast, tillader ikke elektroner at strømme igennem, så de betragtes som ikke-ledende. At prøve at køre elektricitet gennem dem ville være som at prøve at køre vand gennem en mursten.

Selv blandt de materialer, der betragtes som ledende, kan der være store forskelle i, hvor meget elektricitet der faktisk kan passere. I elektriske termer kaldes dette modstand. Næsten alle normale ledere af elektricitet har en vis modstand, fordi de har deres egne atomer, som blokerer eller absorberer elektronerne, når de passerer gennem ledningen, vandet eller andet materiale. Lidt modstand kan være nyttigt for at holde den elektriske strøm under kontrol, men den kan også være ineffektiv og spild.

En superleder tager ideen om modstand og vender den på hovedet. En superleder er generelt sammensat af syntetiske materialer eller metaller såsom bly eller niobiumtitanium, der allerede har et lavt atomantal. Når disse materialer er frosset til næsten absolut nul, sløber de atomer, de gør, næsten til. Uden al denne atomaktivitet kan elektricitet strømme gennem materialet med praktisk talt ingen modstand. Rent praktisk vil en computerprocessor eller et elektrisk togspor udstyret med en superleder bruge meget lidt elektricitet til at udføre sine funktioner.

Det mest indlysende problem med en superleder er temperaturen. Der er få praktiske måder at superkøle store forsyninger med superledende materiale til det krævede overgangspunkt. Når en superleder begynder at varme op, gendannes den originale atomenergi, og materialet skaber modstand igen. Tricket til at skabe en praktisk superleder ligger i at finde et materiale, der bliver superledende ved stuetemperatur. Indtil videre har forskere ikke opdaget noget metal eller kompositmateriale, der mister al sin elektriske modstand ved høje temperaturer.

For at illustrere dette problem, forestil dig en standard kobbertråd som en flod af vand. En gruppe af elektroner er i en båd, der prøver at ankomme til deres destination opstrøms. Kraften i vandet, der strømmer nedstrøms, skaber modstand, hvilket gør, at båden skal arbejde endnu hårdere for at komme gennem hele floden. Da båden når sin destination, er mange af elektronpassagererne for svage til at fortsætte. Dette er hvad der sker med en almindelig leder - den naturlige modstand forårsager et tab af magt.

Forestil dig nu, om floden var helt frossent, og elektronerne var i en slæde. Da der ikke ville være noget vand, der strømmer nedstrøms, ville der ikke være nogen modstand. Slæden ville simpelthen passere over isen og deponere næsten alle elektronpassagerer sikkert opstrøms. Elektronerne skiftede ikke, men floden blev ændret efter temperatur for at give ingen modstand. At finde en måde at fryse floden ved en normal temperatur på er det ultimative mål for superlederforskning.