Ülijuhtivus

Tavalise juhi elektritakistus väheneb jahtudes sujuvalt, kuid ei jõua kunagi täpselt nullini — isegi väga madalal temperatuuril jääb mingi jääkhajumine elektronidelt võre ebatäiuslikkuselt ja võnkumistelt alles. Teatud materjalid käituvad täiesti erinevalt: jahutatuna allapoole teravalt määratletud kriitilist temperatuuri, langeb nende elektritakistus järsult, katkendlikult täpselt nullini. See on ülijuhtivus ja üleminek ei ole tavalise juhtivuse sujuv ekstrapolatsioon — see on tõeline faasisiire kvalitatiivselt erinevasse elektroonilisse olekusse.

Teine, sõltumatu tunnusjoon eristab tõelist ülijuhtivust hüpoteetilisest "täiuslikust juhist", millel oleks ainult nulltakistus: allpool oma kriitilist temperatuuri tõrjub ülijuht aktiivselt magnetvälja oma seest välja, nähtus nimega Meissneri efekt. Ainult nulltakistusega täiuslikult juhilt oleks oodata, et see lihtsalt lõksustaks igasuguse magnetvälja, mis oli olemas hetkel, mil see takistusevabaks muutus; tõeline ülijuht selle asemel lükkab väljajooned täielikult välja, sõltumata välja eelnevast ajaloost, mis on eraldiseisev, täiendav füüsikaline efekt lisaks nulltakistusele ja on põhjus, miks ülijuhtivust käsitletakse tõeliselt uue aine faasina, mitte tavalise juhtivuse äärmusliku piirjuhuna.

Tavapärane ülijuhtivus, nagu seda selgitab BCS teooria (nimetatud Bardeeni, Cooperi ja Schriefferi järgi), on põhimõtteliselt kvantmehaaniline nähtus. Allpool kriitilist temperatuuri moodustavad materjalis olevad elektronid nõrgalt seotud paare, nimega Cooperi paarid, mis on vahendatud vastastik- mõjust võnkuva kristallvõrega — üks elektron moonutab läbi liikudes veidi võret ja see moonutus tõmbab ligi teise elektroni, tekitades netoefektina tõmbe kahe elektroni vahel, hoolimata nende vastastikusest elektrostaatilisest tõukumisest. Cooperi paarid käituvad kollektiivselt bosonitena, mitte üksikute fermionitena, ja võivad kondenseeruda ühtseks koherentseks kvantolekuks, mis liigub läbi kristallvõre ilma hajumata — kuna ühe paari hajutamine sellest kollektiivsest olekust nõuaks kogu koherentse kondensaadi häirimist, mis nõuab rohkem energiat, kui madalal temperatuuril saadaval on, ei saa tavaline resistiivne hajumine lihtsalt toimuda, tekitades täpselt nulltakistuse, mitte lihtsalt väga väikese. Ülijuhtivus on tänapäeval aluseks tehnoloogiatele, sealhulgas MRI-seadmetele ja kõrgvälja magnetitele, ning jääb aktiivseks uurimisvaldkonnaks, eriti otsingul materjalide järele, mis ülijuhivad kõrgematel, praktilisemalt saavutatavatel temperatuuridel.