suprajohtavuus

Video: Näin tehdään timanttipuristuksella mahdotonta metallivetyä

Metallinen vety on omituinen idea vuodelta 1935. 

Vety kun normaalisti on eriste, mutta metallisena se johtaisi sähköä erinomaisesti. Sen avulla voisi tehdä esimerkiksi suprajohteita, jotka toimisivat huoneenlämmössä. Lisäksi siihen on puristuneena pieneen tilaan paljon energiaa, joten sitä voisi käyttää superpolttoaineena. Ja ellei muuta, niin metallivety on tieteellisesti erittäin kiinnostava aine, koska sitä ei ole koskaan nähty aikaisemmin.

Teorian mukaan sitä tosin olisi erimerkiksi jättiläisplaneettojen ytimissä ja kenties maapallonkin keskellä – mutta nyt sitä on siis pystytty tekemään laboratoriossa.

Harvardin yliopiston tutkijaryhmä kertoo tuoreessa Science-lehdessä tästä onnistumisestaan. Artikkelin luonnos on ollut luettavissa jo lokakuusta arXiv.org -palvelussa.

Professorit Thomas Cabot ja Isaac Silvera sekä tohtoritutkija Ranga Dias ovat tutkineet vedyn muuttamista metalliseksi jo pitkään. 

He puristivat hyvin pientä määrää vetyä kahden timantin välissä 495 gigapascalin paineella, eli paineella, joka on selvästi suurempi kuin vallitsee maapallon ytimessä. Näin suuressa paineessa kiinteä atomaarinen vety – siis "tavallinen" jäätynyt vety – muuttuu metallin omaiseksi, koska sen molekyylirakenne murtuu.

Sen jälkeen, kun vety on muuttunut metalliseksi, on se teorian mukaan hyvin pysyvä. Eli kun painetta vähennetään, se pysyy metallina samaan tapaan kuin timantit pysyvät timantteina sen jälkeen, kun ne ovat syntyneet hiilestä erittäin suuressa paineessa ja lämpötilassa.

Näin metallista vetyä voitaisiin käyttää suprajohteena melkeinpä missä vain ilman suuria ja hankalia jäähdytyslaitteita. Suuren energiatiheytensä ansiosta se voisi toimia myös polttoaineena esimerkiksi raketeissa tai lentokoneissa, joissa pieneen tilaan olisi hyvä saada pakattua mahdollisimman paljon energiaa.

Vety muuttuu metalliseksi kuvasarjassa, missä paine kasvaa vasemmalta oikealle mentäessä.

Näin siis teorian mukaan: Harvardin tutkijaryhmä ei ole onnistunut vielä mittaamaan synnyttämäänsä metallista vetyä, vaan siinä kuvataan aineen syntyneen ja hehkutetaan millaista se mahdollisesti on. 

Tämän vuoksi monet pitävät sitä ennenaikaisesti julkaistuna ja puolivalmiina. 

Kiinnostavinta metallisessa vedyssä on sen sähkönjohtokyky, mitä olisi ollut hyvä mitata jo kunnolla. Nyt tutkijat ovat vain arvelleet sitä aineen valonheijastuskyvyn perusteella.

Ennen metalliseksi muuttumistaan vety käy läpi varsin omituisia vaiheita. Kun normaalisti vety on läpinäkyvää, se muuttuu voimakkaasti puristettaessa ensin lähes mustaksi ja imee itseensä melkein kaiken siihen osuvan valon. Paineen kasvaessa valonheijastuskyky kasvaa ja lopulta metallinen vety heijastaa hyvin valoa, kuten kiiltävät metallit yleensä.

Amerikkalaisryhmä onkin arvioinut metallisuutta "vain" valonheijastuskykyä havaitsemalla, ei suoraan mittaamalla. Keino voi olla toimiva, mutta se on epäsuora, eikä sitä ole voitu vielä varmistaa.

Silti löytö on erittäin kiinnostava ja lupaava, mutta vaatii lennokkaan lehdistötiedotteen tekemisen lisäksi vielä hieman lisätutkimusta.

Uusi suprajohde - mullistavan lämmin ja hyvin epäkäytännöllinen

Ke, 08/19/2015 - 12:51 Jarmo Korteniemi
Kuva: Henry Mühlpfordt

Tutkijat ovat ensimmäistä kertaa onnistuneet luomaan suprajohtavuutta lämpötiloissa, joita esiintyy planeetaltamme aivan luonnollisesti. Suprajohtavuustutkimus suoritettiin Max Planck -instituutin kemian laboratoriossa Maintzissa, ja julkaistiin Nature-tiedelehdessä.

Rikkivety saatiin johtamaan sähköä ilman vastusta -70 asteessa. Vastaavia lämpötiloja esiintyy Etelämantereella, ja Siperiassakin päästään lähes samaan (ennätys -68°C). (Lue lisää aiemmasta artikkelistamme: Mistä löytyy maapallon kylmin paikka.)

Uutta suprajohdetta ei kuitenkaan voida vielä hyödyntää sen epäkäytännöllisyyden vuoksi. Aine täytyi altistaa yli puolentoista miljoonan ilmakehän paineeseen. Tämä saatiin aikaan puristamalla hyvin pientä rikkivetymäärää prässissä kahden timantin välissä.

Rikkivety on huoneenlämmössä pahalta haiseva ja väritön kaasu. Kylmennettynä se kiinteytyy, ja kovassa yli 900 000 ilmakehän paineessa se käyttäytyy kuin metalli. Tutkijat epäilevät, että kovassa paineessa aine muuttuu entistä tiheämmäksi, siten että jokaisella rikki-ionilla olisikin kahden sijasta kolme vetyseuralaista (H3S).

Tutkijat eivät ole aivan varmoja, miksi rikkivety muuttuu suprajohtavaksi. He epäilevät syypääksi kevyitä vetyioneja.

Suprajohtavissa aineissa korreloituneet elektroniparit (Cooperin parit) mahdollistavat sähkövirran nopeamman läpivirtauksen. Pariutuminen on kvanttifysikaalinen ilmiö, mutta voidaan esittää perinteisen fysiikan avulla: Metallissa olevat elektronit vetävät negatiivisella varauksellaan puoleensa aineen 'kehikon' positiivisesti varautuneita ioneja. Kun kehikko vääristyy hieman, syntyy heikkoja positiivisen varauksen tihentymiä, 'pilviä'. Ne taas vetävät puoleensa muita elektroneja -- voimakkaammin kuin elektronit hylkivät toisiaan. Syntyy Cooperin pareja. Elektronit tosin vuorovaikuttavat keskenään varsin heikosti, ja jo pienikin lämpötilavaihtelu voi tuhota parin. Tämän on syynä sille, että suprajohteet täytyy pitää varsin alhaisissa lämpötiloissa. Tätä tutkimusta ennen suprajohtavuutta oli onnistuttu luomaan vain aineilla, jotka on jäähdytetty reippaasti alle -100 asteeseen.

Tutkijoiden oletus on, että nyt kehitetyssä rikki-vety -suprajohteessa avainasemassa ovat kevyet ja pienet vetyionit. Elektronit onnistuvat liikuttamaan niitä helpommin, sekä enemmän, kuin raskaampia ioneja. Positiiviset pilvet muodostuvat siksi tiheämmiksi, ja elektronien vuorovaikutus voimistuu. Tällaiset elektroniparit sietävät myös enemmän lämpöliikettä.

Tutkijat toivovat, että lämpötilaennätys rikotaan pian. Huoneenlämmössä (tai ainakin sen lähellä) toimivien suprajohteiden kehittäminen voi mullistaa lähes kaiken sähkön käyttöön liittyvän.

Juttu perustuu New Scientistin artikkeliin sekä Nature-tiedelehdessä julkaistuun tiedeartikkeliin. Otsikkokuvan magneettien päällä leijuva suprajohde ei liity tapaukseen (Kuva: Henry Mühlpfordt / Flickr).

Päivitys 19.8. klo 21.30: Korjattu kirjoitusvirhe toiseksi viimeisestä kappaleesta.

Mikä jumittaa LHC:n käynnistämisessä?

Ma, 03/30/2015 - 22:03 Jari Mäkinen
Atlas-koeasema huollon aikana avattuna

Hiukkasfyysikoiden mielestä alkanut viikko on jännittävä, sillä Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä sijaitseva suuri LHC-kiihdytin on tarkoitus ottaa parannettuna käyttöön tämän viikon kuluessa. 

Alun perin tarkoitus oli käynnistää alkuvuodesta 2013 huoltotauolle laitettu kiihdytin maaliskuun puolivälissä, mutta monet pienet syyt viivyttivät testaamista ja lopulta toissa viikonlopun lauantaina (21.3.) syntynyt oikosulku lykkäsi käynnistystä edelleen. Alla olevassa kuvassa tutkitaan syytä oikosulkuun.

Jättikokoinen tieteentekokone

Geneven luona, Sveitsin ja Ranskan rajalla sijaitseva Large Hadron Collider, eli LHC, on maailman tehokkain hiukkaskiihdytin. Se otettiin alun perin käyttöön vuonna 2008. Kiihdyttimessä on 1232 15 metriä pitkää dipolimagneettia ja 392 viidestä seitsemään metriä pitkää fokusointimagneettia, jotka kiihdyttävät ja ohjaavat protonisuihkuja 27 kilometriä halkaisijaltaan olevassa kiihdyttimessä. Jotta magneeteista saadaan suuri teho, ne ovat suprajohtavia, eli ne jäähdytetään -273°C:n lämpötilaan.

CERNin käyttämän vertauksen mukaan tarkkuus, millä lähes valon nopeudella kiitävät hiukkassuihkut kohdistetaan tarkasti toisiaan vastaan LHC:n sisällä on sama kuin kaksi neulaa ammuttaisiin kohti toisiaan 10 kilometrin etäisyydeltä ja ne törmäisivät päittäin puolimatkassa.

Kun LCH rakennettiin, se tehtiin kykeneväksi törmäyttämään hiukkasia tuplasti alkuperäistä suuremmalla teholla. Tällä kaksi vuotta kestäneellä huoltotauolla kiihdyttimen osia on paranneltu niin, että nyt päästään 6.5 TeV:n energiaan. Kun kaksi tällaista hiukkaskimppua osuvat nokakkain, saadaan 13 TeV:n törmäyksiä.

Huollossa suuri,noin sadan metrin syvyydessä maan alla tunnelissa oleva kiihdytinrengas avattiin noin 20 metrin välein ja jokainen liitos magneettien välillä tarkistettiin sekä vahvistettiin. 

LHC

Uudelleenkäynnistys on tarkkaa puuhaa

Kun kiihdytintä oltiin käynnistämässä ensimmäisen kerran vuonna 2008, tapahtui paha toimintahäiriö: yhdessä suprajohtavia magneetteja yhdistävässä, myös nestemäisellä heliumilla jäähdytetyssä suprajohtavassa kaapeliliitoksessa tapahtui oikosulku, joka sai aikaan sen, että suprajohtavuus hävisi kaapelissa. Tällöin johtimen sähkönjohtavuus huononi nopeasti ja suuri sähkövirta kuumensi sitä niin, että helium lämpeni voimakkaasti ja purkautui suoraan magneettien jäähdytysjärjestelmään.

Korjausten lisäksi kaikki magneettien väliset liitokset tarkistettiin ja kiihdyttimeen asennettiin uusi valvontajärjestelmä sekä venttiileitä, jotka suojaavat magneetteja vastaavilta tapauksilta.

Tähän tuhraantui vuoden päivät, joten LHC saatiin kunnolla toimintaan vasta vuonna 2009.

Vaikka ensimmäiselläkin kerralla käynnistys tehtiin varovasti ja hitaasti, nyt uudelleenkäynnistykseen suhtaudutaan vieläkin varovaisemmin. Siksi toissa viikonlopun oikosulkuun suhtauduttiin hyvin vakavasti, mutta onneksi sillä ei ollutkaan suuria seurauksia.

Vika liittyy siihen, että olennainen osa käynnistystä on suprajohtavien magneettien “treenaaminen” kestämään suurta sähkövirtaa. Kuuden kuukauden aikana noin 1700 erilaista magneettia on viilennetty suprajohtaviksi ja lämmitetty huoneenlämpöön niin monta kertaa, että ne pystyvät välittämään 11080 A:n virran. Samalla magneettien kaikki ohjaus- ja varojärjestelmät on testattu vielä kerran.

Maaliskuun puoliväliin mennessä seitsemän kahdeksasta kiihdyttimen osasta oli saatu valmiiksi, mutta viimeinen osa (niin sanottu sektori 45) oli osoittautunut hankalaksi. Se vaati peräti 45 lämmitys- ja viilennyssykliä ennen kuin se saatiin toimimaan 10990 A:n virralla. Mutta tämä ei riittänyt, sillä tavoite oli liki sata ampeeria enemmän. 

Sitten, todennäköisesti viimeisessä treenauksessa, magneetin alaosassa olevan suojausdiodin maajohto meni oikosulkuun. Suojausjärjestelmä toimi hyvin, eikä tästä aiheutunut vaaraa eikä magneetti vaurioitunut. 

Jotta syy oikosulkuun saatiin selville, tutkittiin liitosta muun muassa röntgenlaiteella. Diodin sijaintipaikka on vaikea, ja vaikka kuvissa näkyi hieman metallisia roskia alueella, kesti noin viikon päivät varmistaa, ettei mitään muuta ollut vialla. Alla olevassa kuvassa on LHC:n yksi magneettiyksikkö ja nuoli osoittaa missä diodi on sen sisällä.

Nyt käynnistys pääsee jatkumaan ja lopulta tämän viikon loppupuolella – mikäli uusia yllätyksiä ei tapahdu – voidaan koko kiihdytinrenkaaseen syöttää protonikimppuja kiertämään. Sen jälkeen vielä kestää noin kaksi kuukautta, ennen kuin kaikki laitteet on säädetty siten, että hiukkasia päästään törmäyttämään toisiaan vastaan. 

Tänä aikana kiihdyttimen sisällä oleva tyhjö imetään mahdollisimman hyväksi, hiukkasten ohjausmagneetit säädetään toimimaan mahdollisimman tarkasti ja koeasemat, joiden sisällä törmäykset tapahtuvat, kalibroidaan uudelleen.

Mitä on odotettavissa?

Itse kiihdyttimen lisäksi jokainen LHC:n koeasemista on huollettu ja niiden tarkkuutta on myös parannettu. Suurimmat koeasemista ovat Atlas, CMS, LHCb ja Alice, ja näistä etenkin CMS on suomalaisittain hyvin kiinnostava, koska suomalaistutkijat ovat olleet läheisesti mukana sen tekemisessä sekä sillä tehtävissä havainnoissa.

Kun LHC aloitti toimintansa, olivat fyysikot haljeta innostuksesta, sillä laitteella päästiin ensimmäistä kertaa kunnolla Higgsin hiukkasen jäljille. Se löytyikin vuonna 2012, ja niin teoriat siitä miten aineella on massaa, saivat vahvistusta. Tämä oli viimeinen vahvistamaton osa ns. Standardimallia, nykyisin laajasti fyysikoiden hyväksymää käsitystä siitä miten luonto ja sen alkeishiukkaset toimivat, ja vaikka Higgsin hiukkasta ei olisi löytynyt, olisi tuloksena ollut jotain kiinnostavaa.

Hiukkasesta kertovien merkkien lisäksi fyysikot elättelivät toivoa kaikenlaisesta muustakin, kuten “ylimääräisiä” ulottuvuuksia, mutta niitä ei löytynyt. Ja nyt monet ovat sitä mieltä, että tuskin niitä löytyy lähitulevaisuudessakaan. Voimakkaampikaan LHC ei riitä todennäköisesti sondaamaan aivan uusia energia-alueita.

Jännittävin mahdollisesti esiin tuleva asia on pimeä aine, sillä kenties esiin tulee siitä kertovia hiukkasia. Näillä näkymin LHC hyrrää nykyisessä kuosissaan aina 2020-luvulle saakka, joten aikaa löytöjen tekemiseen on hyvin. 

Lisäksi kiihdyttimessä on vielä hieman varaa energiatason nostamiseen, sillä suunnittelussa kaikki on tehty 14 TeV:n mukaan. Siihen pääseminen ei kuitenkaan vaadi enää suurta remonttia, vaan muutokset voidaan tehdä helposti huoltoseisokkien avulla; kiihdytin on joka tapauksessa poissa toiminnasta talvikuukausina, jolloin sähkö Sveitsissä on kallista…