Ülijuhtivus

Tõenäoliselt on ülijuhtide kõige silmapaistvamaks omaduseks püsida püsimagnetitest kindlal kaugusel. Näide ülijuhtivusest enne ja pärast jahutamist. Püsimagnetite raja kohal võivad ülijuhid kindlal kaugusel hõljuda ka siis, kui rada vertikaalseks või tagurpidi pöörata (klipp).
Seda põhjustab Meissner'i efekt mille puhul hakkavad magnetväljad ülijuhtivat objekti vältima ja läbiminemise asemel liiguvad need objekti ümber. Magnetvälja vältiv efekt võib tekkida jahtumisel objekti pinnal tekkinud elektri vooludega, millega kaasnenud magnetväljad hoiavad eemale ülijuhist välja jääva päritoluga magnetvälja. Kuna ülijuhtidel pole elektrilist takistust, siis püsivad need ülijuhi pindmised magnetvälja tekitavad elektrivoolud seni kuni kaob ülijuhtivus.

Kõrvalepõikena ülijuhtivusest leidub sarnast magnetitest eemal püsivat toimet diamagneetiliste materjalide puhul nagu pildil olev pürolüütiline süsinik. Erinevalt ülijuhtidest on see efekt toatemperatuuril diamagneetilistel objektidel nõrgem olles pildil saavutatud ülitugevate magnetite ja haruldaselt tugevalt diamagneetilise pürolüütilise süsinikuga. Sarnaselt ülijuhtidega blokeerivad sellised ained välise magnetvälja pääsu läbi materjali kuid blokeerivad pindmist magnetvälja tekitavad diamagnetites magnetvälja sattudes elektronkihtide muutused, mis takistavad välise magnetvälja läbipääsu. Üldiselt paistab, et väline magnetväli ei ulatu paljudes ülijuhtides üle 100 nanomeetri sügavusele (üldnimetus ulatuse sügavusele on london penetration depth). Lenz'i seaduse järgi põhjustab muutlik magnetväli elektrijuhis elektrivoolu, mille magnetväli summutab välise magnetvälja mõju.
Ülijuhtide puhul nimetatakse sellist tugevat diamagneetilist omadust ka superdiamagnetismiks. Osaliselt põhjustavad sisemist magnetvälja blokeerivaid elektri voolusid ülijuhi liikumine magnetväljas. Elektrit saab tekitada objekti liigutamisel magnetväljas ja magnetite kohal olevate ülijuhtide puhul püsib sellise päritoluga vool pikalt.
Esimesel pildil on tina 4,2 kraadi üle absoluutse nulli ja teisel pildil 3 kraadi üle absoluutse nulli. Ümberasuvad kompassinõelad näitavad magnetvälja.

Ülijuhtivus on elektrilise takistuse puudumine, mis tekib osadel materjalide piisava jahtumise korral. Samas on neil tugev magnetvälja takistav toime. Jahtumisel langevad metallide elektritakistused ning teatud kriitilisest temperatuurist alla jahutamisel kaob takistus järsult ära.
Piisavalt suure voolu saatmine ülijuhile võib selle elektritakistust taastada. Elektritakistus võib taastuda ka piisava magnetvälja korral.
Elektritakistus (R) on Ohm'i seaduse järgi leitav valemiga R = V/I. Kui materjali lisada elektrivoolu (I), siis materjali eri osadest mõõdetud pinge erinevusega voltides (V) saab leida takistuse. Ülijuhis ei paista materjali eri osades voltide erinevust kuigi vool võib selles liikuda. Voldid näitavad suhtelist erinevust elektrilises pinges ja kui see on ühtlane (null volti), siis liigub vool selles takistuseta.
Ülijuhtivad elektromagnetid on kõige tugevama elektromagnetid olles kasutusel MRI skännerites ja osakeste kiirendites. Ülijuhid suudavad katsetes oma voolu säilitada aastaid ilma mõõdetava nõrgenemiseta. Maksimaalne voolu säilivus ilma liigse soojuse, magnetvälja või elektri lisamiseta paistab üle 100 000 aasta.
Pildil on rohelisega tähistatud elektriline takistus ja sinisega soojusmahtuvus ehk temperatuuri tõstmiseks ühe kraadi võrra vajalik energia hulk. T on temperatuur ja Tc ülijuhtivuseks vajalik maksimaalne temperatuur. Soojusmahtuvus hüppab ülijuhtivuse piiril järsult üles ja langeb edasisel jahutamisel nullini. Muutus soojusmahtuvuses paistab sümptomina aine minekust ühest olekust teise.
Ülijuhtivuse üheks põhjuseks peetakse elektronorbitaalide suuri keelutsoone ja väiksemat voolu kandumist ettejäävatele kristalli aatomitele.

Ülijuhtivuse selgituseks loodud BCS teooria eest said kolm selle autorit Bardeen, Cooper ja Schrieffer 1972. aastal ühise Nobeli preemia. Selle kohaselt põhjustab madal temperatuur elektroni paaride kondenseerumist bosoni laadseteks moodustisteks. BCS teooria ei selgita üle 30 K temperatuuril töötavate ülijuhtide toimimist.
Võimalik põhjus selleks "kondenseerumiseks":
elektrijuhis liikuv elektron (-) tõmbub ligi kristallstruktuuris olevatele positiivselt laetud osadele põhjustades teiste positiivsete ioonide teket selliste ühikute pinnal. Kui tegemist on suhteliselt tihedamalt positiivseid laenguid sisaldava piirkonnaga, siis liginevad sellele ka teised elektronid. Kui tekkinud paar (Cooper pair) ei lagune aatomite soojusliikumise tagajärjel, nagu näiteks väga madalal temperatuuril, siis püsivad need koos ja ei esine takistust.
Elektronorbitaalide vahelised keelutsoonid on suurimad madalatel temperatuuridel kadudes soojendamisel ülijuhtivust kaotava temperatuurini. Keelutsoonide (energiavahemik, kuhu ei ulatu elektronide orbitaalid) kasv võib olla põhjuseks ka soojusmahtuvuse langusele.

Cooper'i paar võib madalal temperatuuril tekkida lisaks elektronidele ka teiste fermionide vahel (standardmudeli esimese kolme tulba osakesed). Vabad elektronid liiguvad juhis vabamalt ringi olles teistest elektronidest tõukuvad sama laengu tõttu kuid kui elektron tõmbub positiivselt laetud ioonide poole, siis võivad teised positiivse laenguga osakesed samuti selle juurde koguneda ja suurendada laengutihedust. Metallide puhul võivad aatomite laengud ja ühendused kiiresti muutuda ja elektronid saavad metalli kristallstruktuuri moonutada oma laengu mõjuga. Positiivsete laengute kogunemine võib tekitada piisavalt tõmmet, et elektronide vaheline sama laeng ei suudaks elektrone üksteisest eemale ajada.
Tekkinud elektronpaaridel on nõrk tõmme olles suurusjärgus ~0,001 eV (peaaegu minimaalse energiaga infrapunakiirguse energia), mistõttu võib tugevam infrapunakiirguse footon selle lahti lõhkuda. Elektronpaarid ei pea lähedal olema ja distants võib olla sadu nanomeetreid, mis on palju suurem elektronide tavalisest distantsist molekulides. Suur distants võimaldab muuhulgas samas ruumiosas liikuda korraga paljudel Cooper'i paaridel.