Þjóðlíf - 01.02.1988, Blaðsíða 43

VÍSINDI
Ofurleiðarar
— ný tækni-
bylting
Einn þeirra þátta sem setja
rafknúnum tækjum skorður er
það eðli efnis að veita viðnám
gegn rafstraumi. Ef unnt væri að
minnka mjög viðnám sumra
hluta í rafeindatækni hefði það
víðtækar afleiðingar. Mjög mik-
ill kuldi hefur þessi áhrif; veldur
ofurleiðni en gallinn er sá að það
hentar ekki þegar um fram-
leiðsluvörur, ætlaðar til venju-
legra nota, er að ræða. Nú hillir
ef til vill undir að mönnum takist
að framkalla ofurleiðni við lítinn
kulda eða jafnvel stofuhita.
Einangrari — leiðari
Okkur er tamt að líta á rafstraum sem lóð
rafeinda, lítilla rafhlaðinna agna inni í ein-
hverri efniseiningu; frá atómi til atóms. Allir
vita að hlutir eða efni leiða rafstrauminn mis-
vel og sumir jafnvel lítt sem ekkert. Munur á
leiðara og einangrara er sá að hinn fyrr-
nefndi leiðir einhvern straum en sá síðar-
nefndi ekki mælanlega.
Leiðarar eru notaðir í öll raftæki, jafnt
eldavél sem tölvu. Dæmi um slík efni eru t.d.
kopar, ál, járn og kolefni. Einangrarar eru
líka notaðir í raftæki. Dæmi um þá er t.d.
gúmmí, plast og postulín. Þá eru líka til tor-
leiðarar eða hálfleiðarar. Dæmi um torleið-
ara er t.d. grjót (basalt) og um hálfleiðara
svonefndir transistorar (smárar). Skýringa á
vondri eða góðri leiðni er helst að leita í
atómgerð efnisins.
Flestir leiðarar eru kristölluð efni. Atóm
þess mynda horn og fleti kristalla og geta
rafeindir (ein eða fleiri) yst í hverju atómi
flust milli kristalla en þeir liggja mjög þétt
saman: Það er svo stærð atómanna, fjöldi
rafeinda í því o.fl. sem ræður því hve auð-
veldlega þetta gerist þegar leiðari er tengdur
rafskautum (t.d. rafhlöðu). Einangrarar eru
margir ókristallað efni og/eða úr atómum
sem eru mjög fastheldin á rafeindir og þeir
Tölvuhlutar sem þessir verða bæði minni og
hraðvirkari ef tekst að hagnýta ofurleiðni í
framleiðslu þeirra.
innihalda því tiltölulega fáar frjálsar rafeind-
ir. Sumir torleiðarar hafa sína náttúru vegna
þess að þeir eru úr nokkrum ólíkum gerðum
kristalla eða efninu kísli sem leiðir rafstraum
fremur illa.
Viðnám er háð hita
Mælikvarðinn á hve vel (eða illa) efnisein-
ing leiðir rafstraum er nefnt viðnám. Ein-
angrarar hafa mjög hátt viðnám. Viðnám
tiltekins leiðara er meðal annars háð hitastigi
í honum. Mjög heitur leiðari leiðir verr en
kaldur. Það stafar af því að atómin titra æ
meir með hækkandi hitastigi og tefja raf-
eindaferðalagið í efninu, auk þess sem nátt-
úrulegir smíðagallar efnisins koma líka til.
Kæling hefur þveröfug áhrif á leiðnina.
Þegar hitastigið lækkar minnkar viðnámið
og er hitastigið nálgast alkul eða -273 stiga
frost (á Celcius), nálgast viðnámið núll. Raf-
eindir taka að para sig saman og skjótast
viðstöðulítið í tvær áttir. Útskýringar á eðli
þessa ferlis, sem nefnist ofurleiðni, færði
þremur Bandaríkjamönnum Nóbelsverð-
launin í eðlisfræði 1972.
Mönnum verða fremur takmörkuð not af
ofurleiðni vegna þess að erfitt er að koma
kælingunni við eða viðhalda henni. Þess
vegna hefur tæknin ekki verið notuð í venju-
legar framleiðsluvörur en það væri auðvitað
til mikilla bóta því viðnám leiðara setur raf-
tækjum ýmis konar mörk. Má þar nefna
stærðar- og þyngdarmörk. Að auki fer
kostnaður við rekstur raftækja eftir viðnám-
inu í leiðslukerfi þess. Orkukostnaður lækk-
ar með minnkandi viðnámi.
Stórstígar framfarir
Það var hollenskur eðlisfræðingur, H.K.
Onnes að nafni, sem uppgötvaði ofurleiðni
árið 1911. Eftir seinni heimsstyrjöldina
komst skriður á ýmsar rannsóknir á ofur-
leiðni og hún var útskýrð rúmum 60 árum
eftir að hún var uppgötvuð. Undanfarinn
áratug eða svo hafa svo orðið miklar fram-
farir í athugunum á ofurleiðni og tilraunum
vísindamanna til þess að fá hana fram við
hærra hitastig en rétt ofan við alkul. Fer það
starf fram einkum í Bandaríkjunum, Japan,
Kína, Frakklandi, Sviss, V-Þýskalandi og
Danmörku.
I Zurich í Sviss komust vísindamenn að því
að blanda af frumefnunum lantan, kopar,
baríum, strontíum og súrefni verður ofur-
leiðandi við u.þ.b. 230 stiga frost; um 40
stigum nær frostmarki en áður hafði tekist.
Atburðurinn vakti vonir um enn betri árang-
ur og ýmsar stofnanir tóku að birta nýjar
niðurstöður rannsókna. Til dæmis segja Kín-
verjar sig hafa náð ofurleiðni við um 190 stiga
frost og lífræn efnasambönd (m.a. innihalda
þau kolefni) lofa mjög góðu.
Tæknibylting
Með hóflegri bjartsýni má ætla að rann-
sóknir og tilraunir með leiðara færi okkur
ofurleiðara við lítið frost, jafnvel stofuhita.
Fari svo, verður bylting í gerð margs konar
raftækja, til dæmis tölva. Með nýjum efnum
er hægt að smíða rásir eða tækjahluta þar
sem miklu fleiri bitum (minniseiningum) er
þjappað á lítinn flöt, en nú hefur tekist.
Einnig er hægt að búa til hraðvirkari vélar
með svonefndum Josephson-díóðum, en
þær byggja á ofurleiðurum. Mörg raftæki
geta líka minnkað frá því sem nú er. Ein
orsökin er sú að leiðarar og hálfleiðarar nú-
tímans framleiða varmaorku sem verður að
mæta með kælibúnaði eða með því að hafa
nóg rúm milli tækjahluta. Við ofurleiðni
verður vandamálið sem næst úr sögunni.
Vel má vera að ofurleiðarar verði mjög
dýrir í fyrstu en líklegt er að verð lækki með
tímanum ef kleift reynist að framleiða þá í
umtalsverðu magni. Ef til vill má ímynda sér
að raforkuflutningur fari fram með ofurleið-
urum í náinni framtíð. Það setur til dæmis
raforkusölu frá íslandi til Bretlands í nýtt
ljós.
43