Student World

Nejzákladnější vlastností supravodičů není to, že vedou velmi dobře elektřinu (ačkoli tak opravdu činí). Nejzákladnější vlastnost objevili Walther Meissner a Robert Ochsenfeld v roce 1933. Jmenuje se Meissnerův efekt. Meissner a Ochsenfeld objevili, že magnetická pole nemohou pronikat do nitra supravodičů, nýbrž mají přesně vymezené místo – tenkou vrstvu na jejich povrchu. Supravodiče totiž nemohou v sobě magnetická pole vystát. To je jejich nejzákladnější vlastnost.

Své jméno získaly supravodiče podle své patrnější a nápadnější vlastnosti, podle svého speciálního nadání udržovat elektrický proud. Supravodiče mohou vést elektrický proud, který teče bez odporu, a proto stále, i bez baterie, která by jej poháněla. A mezi Meissnerovým efektem a tou nádhernou supravodivostí je následující souvislost:

Vystavíme-li supravodivé těleso vnějšímu magnetickému poli, pak podle Meissnerova efektu musí toto těleso najít způsob, jak toto magnetické pole vykompenzovat, aby uvnitř žádné nebylo. A vykompenzování tohoto pole může těleso zajistit jedině tím, že vytvoří vlastní pole, pole stejně velké, ale opačného směru. Ale magnetická pole jsou vytvářena elektrickými proudy. K vytvoření magnetického pole, které by udrželo původní pole na nule, musí být supravodivé těleso schopné proudy trvale udržovat.

Tak možnost „supratečení“ elektrického proudu plyne z Meissnerova efektu, který je určující vlastností supravodiče, základnější než jeho supravodivost.

Meissnerův efekt vzniká nejen u reálných magnetických polí, ale i u těch, která vznikají jako kvantové fluktuace. Proto se vlastnosti virtuálních fotonů, což jsou fluktuace elektrických a magnetických polí, uvnitř supravodičů modifikují.

Supravodič se všemožně snaží tato fluktuující magnetická pole vykompenzovat. V důsledku toho jsou virtuální fotony uvnitř supravodiče méně početné a šíří se do menších vzdáleností než v prázdném (Raději v uvozovkách – „prázdném“) prostoru.

Z hlediska Tkaniva plynou elektrické a magnetické síly ze souhry mezi nabitými zdroji a virtuálními fotony, známými též jako polní fluktuace. Částice A působí polní fluktuace kolem sebe, což zapůsobí i na částici B. To je náš nejfundamentálnější obraz toho, jak vzniká síla mezi A a B.

Skutečnost, že polní fluktuace uvnitř supravodičů jsou vzácnější a mají kratší dosah, znamená, že příslušné elektrické a magnetické síly jsou efektivně oslabené. Konkrétně – že tyto

síly už nepůsobí do velkých vzdáleností.

Supraproudy, které takto kompenzují magnetické pole, ztrpčují i život fotonům uvnitř supravodičů. Více energie stojí teď produkce samoobnovujících se polních rozruchů, což jsou, jak už jsme uvedli, fotony. V rovnicích se tento efekt projeví jako nenulová hmotnost fotonů. Zkrátka uvnitř supravodičů jsou fotony těžké.

Kosmická supravodivost: elektroslabá vrstva

Slabá interakce je silou krátkého dosahu. Pole W a Z, která jsou za tuto sílu zodpovědná, se v mnohém ohledu podobají elektromagnetickému poli. Částice, jež se tvoří jako rozruchy v těchto polích (totiž částice W a Z), se podobají fotonům. Především v tom, že jsou to také bosony. Dále reagují – právě tak jako fotony – na náboje; ne ovšem na elektrické náboje, ale takové, které jsme nazvali zelené a purpurové, s podobnými fyzikálními vlastnostmi. Nejvíc se však částice W a Z od fotonů liší svou hmotností: jsou těžké. (Každá z nich váží asi tolik jako 100 protonů).

Síla s krátkým dosahem. Těžké částice. Zní to povědomě?

Mělo by. Přesně takové jsou vlastnosti elektromagnetických sil a fotonů uvnitř supravodičů.

Moderní teorie elektroslabých interakcí je mocně vybavena analogiemi mezi tím, co se děje s fotony uvnitř supravodičů, a pozorovanými vlastnostmi bosonů W a Z v kosmu. Podle této části teorie Základů to, co vnímáme jako prázdný prostor – totiž Tkanivo – je supravodičem.

Koncepční i matematické paralely mezi tkanivovou a konvenční supravodivostí sahají velmi hluboko, ale liší se od sebe ve čtyřech hlavních bodech:

● Výskyt

Konvenční supravodivost vyžaduje speciální materiály a nízké teploty. I ty nové „vysokoteplotní“ supravodiče pracují pod teplotou 200 kelvinů (pokojová teplota je kolem 300 kelvinů). Tkanivová supravodivost panuje všude a nebylo pozorováno, že by někdy selhala. Teoreticky by měla vydržet až do nějakých 10 na 16 kelvinů.

● Měřítko

Hmotnost fotonu uvnitř konvenčního supravodiče je 10 na –11 hmotnosti protonu nebo méně. Hmotnosti částic W a Z jsou přibližně stonásobkem hmotnosti protonu.

● Co teče

Supraproudy konvenční supravodivosti jsou toky elektrického náboje. Působí tak, že elektromagnetická pole se stanou krátkodosahovými a fotony získají hmotnost.

Supraproudy tkanivové supravodivosti jsou korelované toky nábojů mnohem méně známých typů: purpurového slabého náboje a hypernáboje. Pole W a Z se těmi toky dají generovat, proto se síly, které síly W a Z generují, stanou krátkodosahovými a W i Z získají hmotnost.

● Substrát

Ačkoli mnohé detaily jsou pro nás tajemné, v zásadě rozumíme tomu, jak fungují konvenční supravodiče.

(Pro mnoho supravodivých materiálů máme zcela detailní a přesnou teorii; na jiných, včetně tzv. vysokoteplotních supravodičů, se pracuje.) Konkrétně víme, z čeho jsou vytvořeny jejich supratoky. Jde o toky elektronů, uspořádané v to, čemu říkáme Cooperovy páry.

Zato však nemáme spolehlivou teorii toho, odkud se tkanivové supratoky berou. Žádné z polí, která jsme zatím pozorovali, nemá ty správné vlastnosti. Teoreticky je možné, že tuto práci vykoná jediné nové pole, pole zvané Higgsovo, a jemu příslušející Higgsova částice. Je ovšem i možné, že se toho účastní několik polí.

Tento text je úryvkem z knihy

Frank Wilczek: Lehkost bytí aneb Bytí jako světlo

Argo, Dokořán, Paseka, 2011

O knize na stránkách vydavatele

autor