Zvětšit obrázek

Nizozemský fyzik Heike Kamerlingh Onnes získal v roce 1913 Nobelovu cenu za „výzkum vlastností hmoty za nízkých teplot, který, kromě jiného, vedl k objevu tekutého helia.“ Díky zkapalněnému plynu Onnes v roce 1911 odhalil supravodivost rtuti, cínu a olova. Zdroj: nobelprize.org

Století supravodivosti
V roce 1911, tedy před sto lety, nizozemský fyzik Heike Kamerlingh Onnes zjistil, že rtuť ochlazená na extrémně nízkou teplotu (pod 4,1 K) má téměř nulový elektrický odpor. Nešlo o žádný náhodný objev. Od roku 1908, kdy se mu jako prvnímu podařilo zkapalnit helium, se kromě řady jiných zajímavých výzkumů v obdivuhodně širokém spektru fyzikálních jevů věnoval i zkoumání vlastností kovů za extrémně nízkých teplot. Třídu prvních supravodivých látek rozšířil o další čisté kovy – cín a olovo. Podařilo se mu také odhalit fascinující jev: v uzavřené smyčce supravodivého materiálu ochlazeného na podkritickou teplotu vytvořený elektrický proud obíhá zdánlivě věčně bez toho, aby se rozpadl v interakcích s vnitřní strukturní mřížkou. Nic mu tedy neklade odpor. H. K. Onnes byl za tyto své objevy oceněn v roce 1913 Nobelovou cenou za fyziku. Byl ale v první řadě experimentátor. Fyzikální vysvětlení supravodivosti dozrávalo ještě hezkou řádku let. V roce 1933 němečtí fyzici Fritz Walther Meißner a Robert Ochsenfeld odhalili další překvapivý kontraintuitivní jev – když supravodič podchladili na podkritickou teplotu vymizelo z něho vnější magnetické pole. Přesněji řečeno, bylo indukovanými elektrickými proudy soustředěnými do povrchové vrstvy materiálu vypuzeno ven. Tato vlastnost sice supravodiče předurčuje například pro magnetickou levitaci, problémem ale je, že velmi silné externí magnetické pole, podobně jako teplota, supravodivý jev narušuje.

Zvětšit obrázek

Vysvětlení proč při extrémně nízkých teplotách některé materiály nekladou elektrický odpor si vyžádalo dát hlavy dohromady. Trojici amerických fyziků teorie BCS vynesla Nobelovu cenu za rok 1972. Zdroj: nobelprize.org

Supravodivost v roce 1972 přinesla další Nobelovou cenu. Tentokráte trojici amerických fyziků Johnu Bardeenovi, Leonu Cooperovi a Robertu Schriefferovi za teoretické vysvětlení, jenž se podle iniciálek příjmení autorů nazývá BCS teorie. Vychází z principů kvantové fyziky a tak není divu, že byla zveřejněna až v roce 1957, tedy téměř půl století po Onnesovu objevu. Fyzikové několik let zkoumali, počítali a modelovali jak teplota působí na vibrace atomů v krystalové mřížce materiálu a jaký to má vliv na vodivostní elektrony. Zjistili, že za jistých podmínek tyto vnitřní oscilace umožňují vytvářet slabé vazby mezi dvěma elektrony i když mají stejný, navzájem se odpuzující elektrický náboj. Nositeli této interakce jsou kvazičástice fonony – vibrační kvanta, přenášející vibrace krystalovou mřížkou. Jsou odpovědny také za přenos zvuku pevnými materiály. Vibračně propojené dvojice elektronů – tzv. Coopery páry – se působením elektrického napětí začnou pohybovat. Jenže ne nějak chaoticky, ale navzájem koordinovaně. Při teplotě blízké absolutní nule energetické stavy částic umožňují vytvořit uvnitř supravodiče zvláštní koherentní stav umožňující tok náboje bez rušivých interakcí s mřížkou. Proto za ideálních podmínek bude proud v uzavřené supravodivé smyčce obíhat věčně.

Zvětšit obrázek

Do třetice další Nobelova cena. V roce 1987 ji získala dvojice švýcarských fyziků "za důležitý přelomový objev supravodivosti keramických materiálů.“ U některých speciálních sloučenin na bázi oxidu mědi, lanthanu, barya, ytria, thalia, stroncia a dalších prvků se zjistily supravodivé vlastnosti i při teplotách 30 K a více. Zdroj: nobelprize.org

 

Supravodivost za vyšších teplot

Vše je však spjaté s extrémně nízkou teplotou. V roce 1986 se ale v tajemném světě supravodičů objevil zvláštní název – vysokoteplotní supravodiče. Přesněji supravodiče s vysokou hodnotou kritické teploty. Pro laika je to trochu zavádějící pojem, protože my zvyklí na "běžné" podmínky si pod pojmem "vysoká teplota" představujeme něco zcela jiného, než odborníci zabývající se supravodivostí. Pro ně začíná od 30 K, tedy od -243 ºC výše a zatím ani horní hranice nepřekračuje teplotu dvě stě Kelvinů, tedy asi -73 °C. Bŕŕŕ…

Zvětšit obrázek

Struktura jednoho z nejjednodušších keramických materiálů na bázi oxidu mědi - La₂CuO₄. Tato sloučenina se stala výchozím zdrojem pro řadu keramických vysokoteplotních supravodičů. Velké prázdné kroužky představují atomy lanthanu, malé prázdné i plné – atomy kyslíku. Atomy mědi (nejsou znázorněny) se nachází v centrech kyslíkových osmistěnů. Odvozené materiály vznikají substitucí lanthanu a dopováním strukturní mřížky atomy dalších prvků.

Dva Švýcaři - Georg Bednorz a Alex Müller – zkoumali supravodivost v různých materiálech, nejen v kovech a jejich slitinách. Zjistili, že ve třídě keramických materiálů vytvořených na bázi oxidů mědi, lanthanu a barya – La_2-XBa_XCuO₄ – se tato zvláštní téměř absolutní vodivost při velmi malém odporu objevuje „již“ okolo teploty 30 K. Pak byly v laboratořích připraveny i další příbuzné sloučeniny, v nichž různé substituce barya nebo lanthanu za jiné prvky (ytrium, thalium, stroncium, bismut nebo dokonce neodym či europium) vedly k vyšší kritické přechodové teplotě, výjimečně přesahující i 100 K. A to byl důležitý pokrok, protože v oblasti jakýchkoli extrémů je každý krůček obtížný, i chlazení za velmi nízkých teplot je neporovnatelně náročnější než v rozmezích nám bližších. A tak Bednorz s Müllerem, kteří umožnili využívat supravodivost v prostředí chlazeném kapalným dusíkem s teplotou varu -195,8 °C, byli také oceněni nobelovkou (1987) - v poradí již třetí udělenou v této oblasti fyziky.

Supravodivost vyvolaná laserem

A právě zmíněné keramické materiály na bázi oxidu mědi s příměsí dalších prvků přinesly další, zcela "čerstvé" překvapení. Britsko-německo-japonský tým uskutečnil řadu experimentů s některými sloučeninami z této třídy sloučenin. Například s oxidem s odrazujícím souhrnným vzorcem La_1,675Eu_0.2Sr_0.125CuO₄ – který je i za nízkých teplot nevodivý, protože uspořádání atomů v jeho krystalové mřížce brání toku náboje, tedy vzniku elektrického proudu. Vědci ale zjistili, že krátký záblesk infračerveného laserového světla s vlnovou délkou 15 mikrometrů (15 000 nanometrů) a energii fotonů 80 milielektronvoltů dokáže v tomto izolantu na velmi krátký okamžik měřený v pikosekundách, tedy v miliontinách miliontiny sekundy, vyvolat supravodivý stav. Materiál se však z něho zakrátko opět "vzpamatuje" do původní nevodivé formy.

Zvětšit obrázek

Andrea Cavalleri z Oxfordské university využívá pulzy infračerveného laserového světla na proměnu keramického izolantu v supravodič. Kredit: Oxford University

I když se experimenty prováděly za teplot do 20 K, autoři v článku, který vyšel v časopisu Science, mluví o vysokoteplotní supravodivosti. Vždyť ji vyvolali řízeným pulzem tepelné energie, která umožnila Cooperovým párům elektronů překonat bariéry kladené uspořádáním krystalové mřížky. Vědci to vysvětlují chvilkovou změnou pozic jednotlivých atomů.

Nové poznatky, které se nám možná nezdají převratné, mohou pomoci rozluštit tajenku co přesně se děje ve vnitřní struktuře vysokoteplotních supravodičů. Jsou startovním blokem pro hledání nových typů speciálních keramických materiálů u nichž by supravodivost mohla vznikat za jiných podmínek než u známých sloučenin. Zároveň nabízí možnost poměrně jednoduchého přepínání z nevodivého stavu na supravodivý, i když zatím jen na nepatrnou chviličku. Ale i to je celkem „suprazajímavý“ výsledek.

Zvětšit obrázek

Supravodivý materiál vypuzuje magnetické pole, čímž umožňuje levitaci. Na obrázku se obyčejný magnet vznáší nad vysokoteplotním, tekutým dusíkem chlazeným supravodičem. V něm indukované proudy vytvářejí na povrchu zrcadlový obraz pole magnetu a tak ho v každé jeho poloze supravodič odpuzuje. (zdroj)

Zdroj: Oxford University News