Student World

Ruskoamerický fyzik Alexej A. Abrikosov (nar. 1928) z Illionské národní laboratoře, ruský fyzik Vitalij L. Ginzburg (nar. 1916) z Lebeděvova fyzikálního institutu v Moskvě a britskoamerický fyzik Anthony L. Leggett (nar. 1938), rovněž z Illionské univerzity, se stali laureáty Nobelovu cenu za fyziku za rok 2003. Výrok Švédské královské akademie věd zněl: „za přispění k objasnění fyzikálních jevů supravodivosti a supratekutosti“.

Jak jsme předznamenali v článku o Nobelově ceně za fyziologii a lékařství, jde o jevy, které byly vysvětleny na základě kvantové fyziky. A co víc, vysvětlení těchto jevů umožnilo konstrukci supravodivých magnetů, využívaných při nukleární magnetické rezonanci (NMR), která vedla k objevu nejdokonalejší diagnostické metody v lékařství. Supravodivost a supratekutost jsou fundamentální jevy spjaté s fyzikou nízkých teplot a byly poprvé pozorovány více než před 90 lety. Jejich objasnění si ovšem vyžádalo půlstoletí práce, na níž se podílel zástup prvotřídních fyziků.

Koncem 80. let dr. Milan Odehnal (1933-1988) v knize Supravodivost a jiné kvantové jevy napsal: „… autor by chtěl vyjádřit své osobní mínění, že považuje za historickou nespravedlnost, že Nobelova cena za vysokoteplotní supravodivost nebyla udělena i V. L. Ginzburgovi z Moskvy, který pro teorii supravodivosti a pro ideje vysokoteplotní supravodivosti udělal velice mnoho.“ Spravedlnosti bylo tentokrát učiněno zadost, když v 7. října tohoto roku Švédská královská akademie věd oznámila jména nových laureátů Nobelovy ceny za fyziku. Sám dojatý Vitalij Ginzburg poznamenal, že se již dávno vzdal šance na získání tohoto nejvyššího vědeckého ocenění. „Nominovali mě skoro pořád po 30 let,“ řekl novinářům, „a stále neúspěšně, takže jsem už přestával věřit, že mi to někdy vyjde.“

Historie supravodivosti a supratekutosti, kvantových jevů spjatých s oborem nízkých teplot, není o nic méně komplikovaná a dobrodružná, jako bylo objevení a dobývání Nového světa. Supravodivost byla objevena již v roce 1911, kdy holandský fyzik Heike Kammerling-Onnes (Nobelova cena za fyziku v roce 1913) pozoroval supravodivé vlastnosti u rtuti ochlazené pod teplotu 4,5 K. Je-li tedy Kryštofem Kolumbem extrémně nízkých teplot Kammerling-Onnes, prvními dobyvateli a kolonizátory tohoto území fyziky, Cortézem a Pizarrem, byli ruští fyzikové. Díky jejich mravenčí práci pod vedením Pjotra Kapici (Nobelova cena za fyziku v roce 1978), kdy zevrubně zkoumali projevy kapalného helia, byl v 30. letech minulého století pozorován a popsán i jev supratekutosti. Oba jevy, supravodivost a supratekutost, byly diametrálně odlišné od všech přírodních projevů, které mohl dosud člověk pozorovat. Vymykaly se běžné zkušenosti natolik, že se hovořilo o zázračných jevech.

Aby fyzikové objasnili mechanismus těchto zázračných fyzikálních úkazů, museli zdolat velehory otázek a problémů. Naštěstí k tomu měli nástroj, který se při výstupu do této nové oblasti ukázal velmi účinným a efektivním. Byla to kvantová mechanika. S pomocí této zbrusu nové přírodovědecké teorie, v jejíž opodstatnění zpočátku mnozí fyzikové nevěřili (např. Albert Einstein), začala věda na základě prací takových géniů, jako byli např. Lev D. Landau či Richard Feynman, supravodivost a supratekutost chápat. Z těchto jevů opadl závoj mystické zázračnosti. Naopak, přesně zapadaly do obrazu světa moderní fyziky. A co víc, umožnily pozorovat některé kvantové projevy v makroskopickém měřítku. Ruští fyzikové si všimli velmi důležité vlastnosti supravodičů: že do nich nemůže pronikat magnetické pole, pokud není dostatečně silné. Co brání magnetickým siločárám při vstupu do materiálu? Vysvětlení si žádalo nový přístup v chápání chování částic (vznik tzv. kalibrační invariace v kvantové mechanice). K již zmíněným průkopníkům tohoto prvního období „dobývání supravodivosti“ patřil právě dlouho opomíjený Vasilij Ginzburg, spolupracovník Lva D. Landaua. Tato dvojice fyziků vytvořila první solidní teorii supratekutosti a supravodivosti na principech spontánně narušené symetrie částic a fenomenologických teorií fázových přechodů druhého druhu (tzv. Ginzburgova-Landauova teorie). Záhy se ovšem ukázalo, že tato teorie má jedno zásadní omezení – platí totiž pouze pro jevy odehrávající se v blízkosti kritické teploty.

Přesto se Ginzburgova-Landauova teorie stala odrazovým můstkem, díky němuž (a na základě dalších nosných objevů) vytvořili začátkem 60. let fyzikové John Bardeen, J. Robert Schrieffer a Leon N. Cooper obecnější a spolehlivou teorii supravodivosti, označovanou podle počátečních písmen jejich jmen jako teorie BSC. Ohnisko BSC teorie, pokud to maximálně zjednodušíme, je založeno na myšlence párů elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Tyto páry elektronů (tzv. Cooperovy páry) se chovají jako bosony, tedy částice s celočíselným spinem. K jejich vlastnostem patří, že mohou za nízké teploty sdílet stejnou deformaci v krystalické mřížce. V důsledku toho se chovají jako koherentní kvantová makroskopická kapalina. Vyjádříme-li to opět poněkud zjednodušeně, můžeme říci, že párování volných elektronů – nosičů elektrického proudu – způsobuje, že se při nízkých teplotách pohybují vodičem bez obvyklého odporu. Za teorii BSC obdržela trojice výše zmíněných fyziků v roce 1972 Nobelovu cenu za fyziku.

Následující léta v oboru supravodivosti a supratekutosti ovšem přinesla nová překvapení. Především byly objeveny nové supravodivé materiály, u nichž se hranice kritické teploty pro supravodivost pomalu zvyšovala až na hodnotu 23 K. Byly to intermetalické sloučeniny niobu (např. NbTi), při jejichž studiu se na počátku 70. let zdálo, že vyšší kritické teploty než je zhruba 30 K nebude nikdy dosaženo. Nad tímhle předčasným závěrek, jenž se ukázal jako mylný, zaplakali ti, kteří se snažili tyto kvantové jevy využít pro technické aplikace. Vždyť materiály bez elektrického odporu, to byl sen, o němž technici na rozdíl od fyziků raději ani nesnili.

K překvapivému průlomu došlo o deset let později, kdy byla objevena nová skupina supravodičů s vysokými kritickými teplotami, jejichž základ tvořily oxidy mědi. Za tento objev získala dvojice švýcarských fyziků K. A. Müller a J. G. Bednorz v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku. Podařilo se jim překonat deziluzi a jejich objev vyvolal celosvětový výzkum jevu vysokoteplotní supravodivosti, který je právem pokládán za revoluci ve fyzice pevné fáze. Překročení dosavadního teplotního limitu pro supravodivost neznamenalo totiž nic menšího, než vysněnou cestu makroskopických kvantových jevů do světa technologií. Záhy byly vytvořeny nová skupina supravodivých materiálů, tzv. spárovaná keramika, jejichž kritická teplota se pohybuje v rozmezí 150- 200 K.

Nové objevy si žádaly i nová vysvětlení. Skupina supravodivých materiálů s vysokými kritickými teplotami je dnes označována jako supravodiče II. typu. Jak je možné, že tyto materiály na rozdíl od klasických supravodičů I. třídy vzdorují magnetickému poli? Ukázalo se, že příklad klasických supravodičů (u nichž k párování do spinového a hybnostního singletu) pro ně nebude stačit (je to především z důvodu nepatrných rozměrů výše zmíněných Cooperových párů). Na vysvětlení těchto jevů, jejichž výklad vysoce převyšuje možnosti tohoto článku, se podílela celá armáda fyziků, ale výhry v sázce, kterou Nobelova cena do jisté míry připomíná, se vedle dlouho přehlíženého Ginzburga dočkal i Alexej Abrikosov, jenž právě mechanismus chování supravodičů II. třídy objasnil (tzv. teorie supravodičů s nulovou energetickou mezerou). Třetí laureát, Anthony Leggett, přispěl zejména vysvětlením supratekutosti helia 3, na jehož projevech dnes mohou fyzikové účinněji zkoumat hydrodynamické jevy, například vznik turbulencí.

A technické aplikace? Poznatků získaných výzkumem supravodivosti (zvláště výše zmíněných supravodičů II. třídy) se již dnes využívá např. pro získávání silných magnetických polí. Pokud se zhotoví vinutí elektromagnetu ze supravodivého drátu a chladí se na teplotu nižší než je tzv. kritická teplota, pak v něm může téci proud s ohromnou hustotou. Důsledkem je velmi silné magnetické pole. Jiným příkladem využitím supravodivosti jsou superexpresy typu MagLev, které díky supravodivým magnetům kloužou na magnetickém polštáři rychlostí až 500 km/h (http://www.calmaglev.org, http://www.rtri.or.jp/rd/maglev/html/english/maglev_frame_E.html), Obecně panuje ale přesvědčení, že zlatý věk supravodivosti nás teprve čeká, až se v energetice začnou využívat supravodivé akumulátory elektrického výkonu. V současné době si pozornost získává i výzkum supravodivosti materiálů na bázi uhlíku, ať už se jedná o diamant (kde supravodivost vykazuje oblak elektronů mezi diamantovou katodou a anodou ze zlata) či zvláště fullerenové nanotrubičky (http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-bib_query?2002cond.mat..6005B). Jak nové supravodivé keramické materiály, tak zejména nanotrubičky jsou dalšími z lákavých příslibů pro využití supravodivosti v telekomunikačních a informačních technologiích, ale to vše je zatím hudba budoucnosti.

Odkazy:

Nobel Prize for Physic 2003
http://www.nobel.se/physics/laureates/2003/index.html

Superconductors
http://superconductors.org/

Superconductivy
http://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/igrant/main_noflash.html

První díl seriálu (fyziologie a lékařství)
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/E9DA73A9EB349720C1256DBA003D2CA2

Třetí díl seriálu (chemie)
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/0BC262AFF133FFD0C1256DC1003018F3

autor Jan Kapoun