Objev
supravodivosti Objev
supravodivosti Mikroskopický
původ supravodivosti
Možnosti
aplikace supravodivosti
Objev supravodivosti je spojen se jménem holandského fyzika Heika Kammerlingha
ONNESE (1853-1926), který r. 1911 zjistil, že některé kovy zcela ztrácejí
svůj elektrický odpor, jsou-li ochlazeny na jistou dostatečně nízkou teplotu.
(Tato teplota se obvykle rovná několika kelvinům). Důležité je, že se toto
vymizení elektrického odporu v bodě přechodu projevuje skokem. Lze
proto očekávat, že vznik supravodivého stavu představuje fázový přechod.
Mikroskopický (atomární) původ supravodivosti byl po dlouhou dobu naprosto nepochopitelný. Fyzikální podstata tohoto jevu byla vysvětlena v šedesátých letech (BARDEEN, COOPER, SCHRIFFER a BOGOLJUBOV, 1957). Možnost vzniku supravodivosti je založena na tzv. Cooperově jevu. V supravodivém stavu jeden elektron při svém pohybu krystalovou mřížkou vyvolá zhuštění kladných iontů kolem své trajektorie, tzn., že deformuje mřížku. Vzniklý kladný náboj může být dokonce za jistých okolností větší než původní náboj záporný. Vrací-li se ionty do svých původních poloh relativně pomalu, pak je do tohoto místa přitahován druhý elektron. Výsledkem je tedy nepřímé přitahování jednoho elektronu druhým - korelované dvojice elektronů. Tyto korelované dvojice mají celočíselný spin a představují tedy bosony. Energie korelované a nekorelované dvojice se liší o hodnotu vazebné energie. Ve spektru elektronů tak vzniká mezera, rovná velikosti této vazebné energie. Ani jedna korelovaná dvojice elektronů nemůže být rozrušena bez dodání jisté (konečné) energie (práce). Jinými slovy, k excitaci jedné částice je třeba jisté konečné (byť malé) energie. Energetická štěrbina ve spektru elektronů tak vylučuje některé jednočásticové přechody, např. srážky elektronů s ionty krystalové mříže a tím i elektrický odpor, který je důsledkem těchto jednočásticových přechodů. V normálním vodiči nejsou korelované dvojice elektronů; tyto korelované dvojice existují pouze v supravodivé fázi. V supravodivé fázi se elektrony pohybují bez odporu (ztráty energie). Můžeme proto říci, že supravodivost je vlastně supratekutostí korelovaných elektronů.
Vysvětlení mikroskopického mechanismu supravodivosti je nepochybně jedním
z největších úspěchů teoretické fyziky v posledních letech. Teorie umožňuje
vysvětlit nejen vznik supravodivosti, ale i předpovídat závislost parametrů
supravodivého stavu (např. kritické teploty, kritického pole, hloubku průniku
magnetického pole) na vlastnostech jednotlivých látek. To nakonec umožňuje
vytváření supravodivých slitin vhodných parametrů. V dnešní době existují
supravodivé slitiny s kritickým polem několik desítek tisíc gaussů. Tím
vzniká zcela nová oblast techniky silných magnetických polí, která má dalekosáhlé
perspektivy především v jaderné fyzice a fyzice plazmatu.
V lednu roku 1986 objevili K. A. Müler a J. G. Bednorz z laboratoře firmy IBM v Curychu supravodivost ve sloučenině La-Ba-Cu-O při teplotě asi 30 K; začalo období vysokoteplotní supravodivosti. Výsledky své práce zaslali do tisku v dubnu 1986 a již v září 1986 byl jejich článek publikován. V únoru 1987 C. W. Chu se svými spolupracovníky z Houstonské univerzity objevili supravodivost při teplotě 90 K v materiálu Y-Ba-Cu-O. Byly objeveny další supravodivé materiály, dnes již s kritickou teplotou asi 125 K. V současné době (1997) jsou to materiály s ještě vyšší kritickou teplotou, které se využívají v superpočítačích společnosti Cray, která je dceřinou společností firmy Silicon Graphics (SGI).
O vysokoteplotní supravodivost se začal zajímat celý svět. Fyzika přinesla explozi do zpráv sdělovacích prostředků. Vzhledem k předpokládaným revolučním změnám v technice v důsledku nových objevů ve vysokoteplotní supravodivosti, které by mohly přinést obrovské ekonomické úspory, chtějí být velké firmy "při tom".
Vysokoteplotním materiálům je společná jejich krystalová struktura - patří do skupiny materiálů zvaným perovskity. Tato struktura umožňuje vznik materiálů s různými elektrickými vlastnostmi: mohou být izolanty, polovodiči, vodiči s kovovým chováním a vysokoteplotními supravodiči. Všechny uzlové body krystalové mřížky jsou zaplněny a silné iontové vazby drží atomy v uzlových bodech. Perovskity jsou proto pevné, otěruvzdorné, nesnadno deformovatelné, s vysokou teplotou tání; mají však i velké množství krystalových poruch.
Jestliže dříve byla supravodivost využívána jen v ojedinělých případech, pak nové vysokoteplotní supravodiče, k jejichž ochlazení stačí místo hélia levný a běžně dostupný kapalný dusík (teplota kapalného dusíku je 77 K, t.j. 196 °C), s nímž je navíc jednodušší manipulace, mohou vést k bouřlivému rozvoji techniky.
Příprava vysokoteplotního supravodiče má zdánlivý "nádech"
alchymie. Vzorky nových supravodičů se ve velké většině připravují keramickou
technologií z výchozích práškových sloučenin. Uveďme zjednodušený příklad
přípravy takového materiálu (YBa2Cu3O7
- oxid měďnato-barnatý ytritý). Výchozí sloučeniny Y2O3,
BaCO3, CuO2, se důkladně promísí, vysuší a vzniklá
směs se zahřívá po dobu několika hodin při teplotě kolem 900 °C v proudu
kyslíku. Po ochlazení na pokojovou teplotu následuje rozemletí, slisování
do tablet a žíhání v proudícím kyslíku při teplotě asi 950 °C opět po dobu
několika hodin. Poté se vzorky pomalu ochlazují na pokojovou teplotu rychlostí
asi 100 C za hodinu. Laboratorní vzorky vysokoteplotních supravodičů jsou
zpravidla keramické tablety černé barvy.
Mikroelektronické obvody ze supravodičů mohou teoreticky pracovat mnohem
rychleji než běžně používané polovodičové obvody. Hlavním předmětem výzkumu
jsou tenké supravodivé vrstvy, elektronické prvky a propojení jednotlivých
ať už supravodivých nebo polovodičových prvků. Nabízí se mnoho dalších
aplikací vysokoteplotních supravodičů: vlaky levitující na magnetických
polštářích, bezztrátové rozvody elektrické energie, separace a úprava materiálů
pomocí magnetického pole, magnety pro termojadernou syntézu apod. Vysoko
i nízko - teplotní supravodivost lze dále využít pro některé polovodičové
paměti, neboť informace uložené v supravodiči se nemění. Supravodivý stav
lze rozrušit velmi silným magnetickým polem; na tomto základě je možno
sestrojit velmi rychlé spínací zařízení. Protože supravodivý materiál má
nulový elektrický odpor, mohou jím protékat velmi silné proudy beze ztrát
a elektromagnety se supravodivým vinutím lze budit i mimořádně silná magnetická
pole.