Väittelijä mallinsi suprajohteen kriittisen virran supertietokoneella (Väitös: FM Heikki Palonen, 12.4.2014, fysiikka)

​Turun yliopiston tiedote 4.4.2014

Suprajohteiden kriittisen virran mallintamismenetelmän taustalla oleva teoria on tunnettu jo pitkään. Viimeaikojen nopea kehitys supertietokoneiden laskentatehossa ja ohjelmistoissa on kuitenkin mahdollistanut teorian soveltamisen käytännössä.

Käytetty malli auttaa selittämään mittaustuloksia ja yhdistämään tulokset materiaalin mikrorakenteeseen aiempaa tarkemmin.

Korkean lämpötilan suprajohteet ovat lupaavia mutta monimutkaisia

Suprajohteilla on kyky johtaa sähköä häviöttä, ja suprajohdetutkimuksella pyritään kehittämään uusia energiaa säästäviä teknologioita. Suprajohteilla voitaisiin parantaa erityisesti hyötysuhdetta sähkönsiirrossa ja sähkömoottoreissa.

Monet nykyiset suprajohdesovellukset vaativat jäähdytykseen nesteheliumia. Sovelluksia käytetään tyypillisesti esimerkiksi sairaaloiden magneettikuvauksissa. Korkean lämpötilan suprajohteet mahdollistavat kuitenkin nestemäisen typen lämpötilassa olevat sovellukset. Nestemäisen typen käyttö on selvästi nesteheliumia edullisempaa.

Häviöttömän sähkönsiirron taustalla oleva fysiikka on kuitenkin monimutkaisempaa keraamisissa korkean lämpötilan suprajohteissa kuin perinteisissä metallisissa suprajohteissa. Taustalla on ilmiö, jota kutsutaan vuon lukkiutumiseksi.

Ongelmana on se, että magneettikentän vuo suprajohteen sisällä ei pysy paikoillaan korkeilla sähkövirran arvoilla, mikä estää häviöttömän sähkönsiirron. Vuo saadaan kuitenkin lukittua materiaalin erilaisiin kidevirheisiin, mikä parantaa suprajohteen virrankestävyyttä. Vuon lukkiutumista yritetään optimoida muun muassa erilaisilla dopanteilla, jotka muuttavat materiaalin mikrorakennetta tehden vuolle niin sanottuja lukkiutumiskeskuksia.

Mallinnuksen avulla selvitettiin magneettivuon lukkiutuminen ohutkalvoissa

Palosen väitöstutkimuksessa keskityttiin suprajohtavien YBa2Cu3O6+x-ohutkalvojen (YBCO) tutkimiseen. Kokeellisen työn painopisteenä oli BaZrO3-lisäyksen (BZO) vaikutus YBCO:n anisotropiaan. Vuon lukkiutumista ohutkalvoissa mallinnettiin ratkaisemalla numeerisesti Ginzburg-Landau-yhtälöt. Lisäksi tutkittiin NdGaO3- (NGO) ja MgO-alustoille kasvatettujen YBCO-ohutkalvojen rakenteellisia ominaisuuksia. Ohutkalvot kasvatettiin erilliskiteisille alustoille laserhöyrystyksellä.

YBCO-ohutkalvoihin havaittiin muodostuvan pieniä halkeamia, kun kalvoja kasvatettiin joko NGO- tai MgO-alustoille. Halkeamien muodostumisen huomattiin liittyvän YBCO-ohutkalvojen rakenteeseen kummassakin tapauksessa. Lisäksi havaittiin, että halkeamien muodostumista voidaan ehkäistä kalvojen kasvatusparametrien ja paksuuden huolellisella optimoinnilla. BZO:n lisäämisen YBCO-kalvoihin nähtiin laskevan elektronien efektiivisen massan anisotropiaa, mikä havaittiin sovittamalla Blatterin malli anisotropian skaalautuvuudesta mitattuun ylemmän kriittisen kentän kulmariippuvuuteen.

Ginzburg-Landau-simulaatioilla onnistuttiin toistamaan havaitut kriittisen virtatiheyden magneettikenttäriippuvuudet sekä YBCO-ohutkalvoille että BZO:ta sisältäville YBCO-ohutkalvoille.

Simulaatioiden perusteella selvisi, että BZO:n muodostamien nanopylväiden koko vaikuttaa merkittävästi kriittisen virtatiheyden kenttäriippuvuuteen. Lisäksi Ginzburg-Landau-yhtälöt ratkaistiin tyypin I suprajohtaville ohutkalvoille, joihin nähtiin muodostuvan suurvortekseja riippuen kalvon paksuudesta.

Simulaatioiden perusteella voitiin ennustaa, että yhden vuon kvantin sisältävät vorteksit ovat stabiileja tyypin I ohutkalvoissa kohtalaisen suurillakin paksuuksilla ja että vorteksien koko kasvaa kalvon ohetessa tavalla, joka on samankaltainen Pearl-vorteksien vuorovaikutuspituuden kasvun kanssa.

***

Lauantaina 12. huhtikuuta 2014 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Quantumin auditorio, Vesilinnantie 5) julkisesti tarkastettavaksi filosofian maisteri Heikki Palosen väitöskirja ”Microcracks and vortices in superconducting thin films" (Mikrohalkeamat ja vorteksit suprajohtavissa ohutkalvoissa). Virallisena vastaväittäjänä toimii professori Pavlo Mikheenko Oslon yliopistosta ja kustoksena professori Petriina Paturi.

FM Heikki Palonen on syntynyt 1985 Leppävirralla ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2004 Savonlinnan lyseon lukiosta. Filosofian maisteriksi Palonen valmistui 2010 Turun yliopistosta, jossa hän parhaillaan toimii tohtorikoulutettavana. Väitös kuuluu fysiikan alaan.