Hvordan fungerer en superleder?

For å forstå hvordan en superleder fungerer, kan det være nyttig å undersøke hvordan en vanlig leder fungerer først. Enkelte materialer som vann og metall lar elektronene strømme gjennom dem ganske enkelt, som vann gjennom en hageslange. Andre materialer, som tre og plast, lar ikke elektroner strømme gjennom, så de anses som ikke-ledende. Å prøve å kjøre strøm gjennom dem, vil være som å prøve å renne vann gjennom en murstein.

Selv blant materialene som anses som ledende, kan det være store forskjeller i hvor mye strøm som faktisk kan passere. Elektrisk sett kalles dette motstand. Nesten alle normale ledere av elektrisitet har en viss motstand fordi de har egne atomer som blokkerer eller absorberer elektronene når de passerer gjennom ledningen, vannet eller annet materiale. Litt motstand kan være nyttig for å holde den elektriske strømmen under kontroll, men den kan også være ineffektiv og sløsing.

En superleder tar ideen om motstand og vender den på hodet. En superleder er generelt sammensatt av syntetiske materialer eller metaller som bly eller niobiumtitanium som allerede har et lavt atomantal. Når disse materialene er frosset til nesten absolutt null, kverner de atomene de nærmest stopper. Uten all denne atomaktiviteten kan strøm strømme gjennom materialet uten praktisk talt motstand. Rent praktisk vil en datamaskinprosessor eller et elektrisk togspor utstyrt med en superleder bruke veldig lite strøm for å utføre sine funksjoner.

Det mest åpenbare problemet med en superleder er temperaturen. Det er få praktiske måter å superkjøle store forsyninger med superledende materiale til det nødvendige overgangspunktet. Når en superleder begynner å varme opp, gjenopprettes den opprinnelige atomenergien og materialet skaper motstand igjen. Trikset for å lage en praktisk superleder ligger i å finne et materiale som blir superledende ved romtemperatur. Så langt har forskere ikke oppdaget noe metall eller komposittmateriale som mister all sin elektriske motstand ved høye temperaturer.

For å illustrere dette problemet, kan du tenke deg en standard kobbertråd som en elv av vann. En gruppe elektroner befinner seg i en båt for å prøve å ankomme destinasjonen oppstrøms. Kraften til vannet som strømmer nedstrøms skaper motstand, noe som gjør at båten må jobbe enda hardere for å komme gjennom hele elven. Når båten når sin destinasjon, er mange av elektronpassasjerene for svake til å fortsette. Dette er hva som skjer med en vanlig leder - den naturlige motstanden forårsaker tap av kraft.

Tenk deg om elven var helt frossent, og elektronene var i en slede. Siden det ikke ville være vann som strømmer nedstrøms, ville det ikke være noen motstand. Sleden ville ganske enkelt passere over isen og deponere nesten alle elektronpassasjerene trygt oppstrøms. Elektronene endret seg ikke, men elven ble endret av temperatur for å ikke gi motstand. Å finne en måte å fryse elven på en normal temperatur på er det endelige målet med superlederforskning.