Student World

Následující text je úryvkem z knihy Nový kvantový vesmír

Brzy po objevu elektronu si lidé uvědomili, že mnoho vlastností kovů souvisejících s jejich schopností vést elektrický proud lze vysvětlit na základě pohybu elektronů. Odpor kladený elektrickému proudu je způsoben tím, že elektrony se rozptylují při srážkách s poruchami krystalické mřížky daného kovu a při interakcích s vibracemi atomů krystalu. Když snižujeme teplotu, vibrují atomy čím dál méně a očekávali bychom, že odpor kovu dosáhne konstantní hodnoty. U mnoha kovů k tomu skutečně dochází. Bylo tedy o to překvapivější, když se zjistilo, že pokud jisté kovy ochladíme pod určitou kritickou teplotu, jejich elektrický odpor náhle poklesne na nulu. Elektrický odpor normálních kovů způsobuje ztrátu energie a zahřívání daného vodiče; do těchto neobyčejných materiálů lze naopak zavést proud, který v nich vydrží kroužit celé roky. Takovéto kovy jsou opravdovými „supravodiči“.
Fenomén supravodivosti objevil Kamerlingh Onnes, „gentleman absolutní nuly“, ve své laboratoři v Leidenu v roce 1911. V roce 1933 byla objevena další fascinující vlastnost supravodičů. Pokud působíme na supravodič magnetickým polem, vzniknou v tomto kovu elektrické proudy, které působící magnetické pole ve vzájemné součinnosti přesně vyruší. Toto přesné vyrušení je možné pouze díky tomu, že elektrický proud se uvnitř supravodiče nesetká se žádným odporem. To vede k některým ohromujícím jevům. Malý magnet umístěný nad supravodivou misku se zde bude vznášet díky proudům, které magnet v misce vyvolá. O supravodivé levitaci se vážně uvažovalo jako o metodě, jež by zajistila velmi hladký nosný systém pro vysokorychlostní vlaky.
Jak chápat supravodivost? Již v roce 1935 si v Oxfordu bratři Heinz a Fritz Londonové – oba odvedli hodně experimentální i teoretické práce v rané fázi výzkumu supravodičů – uvědomili, že v jakémkoliv výkladu těchto jevů musí hrát zásadní roli kvantová mechanika. Teprve roku 1956 však Leon Cooper přišel s klíčovým poznatkem. Ukázal, že ačkoliv se dva elektrony normálně kvůli svým elektrickým nábojům vzájemně odpuzují, v kovu mezi nimi existuje také nepřímá atraktivní síla způsobená přitažlivostí kladně nabitých iontů krystalické mřížky. Zjednodušeně řečeno, elektron nacházející se mezi dvěma kladnými mřížkovými ionty přitahuje tyto ionty trošku blíž k sobě než obvykle a další elektron tudíž bude celkově pociťovat slabou přitažlivost. Je zde tedy možnost, že tyto dva elektrony budou k sobě vázány a vytvoří „Cooperův pár“. Tyto páry jsou dost zvláštní, protože jsou složeny z elektronů s opačnými rychlostmi, jež v součtu udílejí páru celkově nulovou hybnost. Protože je hybnost tohoto páru přesně určená, musí být navíc podle Heisenbergova principu neurčitosti tyto Cooperovy spárované elektrony velmi rozptýlené v prostoru. Každý pár zaujímá prostor, který je několikatisíckrát větší, než je velikost jednotlivých atomů. Tentýž prostor je obsazen miliony dalších překrývajících se párů.

Vzhledem k našemu rozboru Boseho kondenzace v případě hélia 3He není příliš těžké uhodnout další krok v této argumentaci. Cooperovy páry se chovají jako bosony: kondenzují a vytvářejí supravodivý stav. To se snadno řekne – ukázalo se však, že je složité přijít s kvantitativní teorií takovéto kondenzace, která by předpovídala nové výsledky. Tento konečný krok učinila trojice fyziků, kteří jsou dnes všeobecně známí jako „BCS“: John Bardeen, Leon Cooper a John Schrieffer. Pracovali na illinoiské univerzitě, kde kvůli nedostatku místa sdíleli Bardeen a Cooper pracovnu. Schrieffer byl Bardeenovým doktorandem a měl stůl v sousední budově spolu s ostatními studenty teoretické fyziky. Pokoušeli se Cooperovu představu, že se vytvoří jediný vázaný pár elektronů, rozšířit na všechny elektrony v daném supravodivém materiálu. To, co se snažili udělat, popisoval později Schrieffer jako hledání „kvantové vlnové funkce, která by udávala takt, podle nějž by tančil více než milion milionů milionů párů“. Tento problém se zdál být tak obtížný, že Schrieffer uvažoval změnit téma své doktorské práce a věnovat se oblasti magnetismu. V tomto rozhodujícím období musel jet Bardeen do Stockholmu, aby převzal svůj podíl z Nobelovy ceny za vynález tranzistoru. Než odjel, naléhal na Schrieffera, aby na problému pracoval ještě jeden měsíc. Během tohoto měsíce odhadl Schrieffer takový tvar vlnové funkce Boseho kondenzátu Cooperových párů, který bylo možné matematicky zvládnout. V následujícím měsíci se B, C a S podařilo ukázat, že jejich teorie vysvětluje všechna experimentální data. Paradoxně zjišťujeme, že kovy, které jsou za běžných teplot dobrými vodiči elektrického proudu, mají velmi slabé elektron-iontové interakce a tudíž nejsou za nízkých teplot supravodiči. Jako supravodiče končí spíše látky, které jsou za normálních teplot špatnými vodiči.

Na jaře roku 1986 objevili Johannes Georg Bednorz a Karl Alexander Müller pozoruhodnou věc. Jistý keramický materiál – oxid lantanu barya a mědi – se stal supravodivým při teplotě 35 stupňů nad absolutní nulou. Může se zdát, že nejde o příliš významný výsledek, ale tato teplota přechodu do supravodivého stavu leží o více než 10 stupňů výše než teploty klasických supravodivých materiálů složených z kovů či slitin. Od tohoto původního objevu byly skutečně objeveny supravodiče založené na sloučeninách oxidu měďnatého, které mají teplotu přechodu až 135 stupňů nad absolutní nulou. Tyto takzvané vysokoteplotní supravodiče dávají naději na zcela jinou ekonomiku pokusů a mnoho nových způsobů využití. V porovnání s chlazením látky pomocí kapalného hélia je používání kapalného dusíku stejné jako používání mléka místo šampaňského!

Tyto vysokoteplotní supravodiče byly objeveny při pokusech s látkami, které měly silné elektron-iontové interakce. To naznačovalo, že je lze vysvětlit pomocí tradičních Cooperových párů, nedávné experimenty ovšem ukázaly, že mechanismus vysokoteplotních supravodičů je zásadně odlišný od klasické BCS teorie. Proud je veden podél vrstev tvořených atomárními rovinami oxidu měďnatého, které jsou naskládány mezi izolující vrstvy. Ve většině sloučenin oxidu měďnatého je náboj nesen dírami. Vznik Cooperových párů je obtížné vysvětlit na základě jakékoliv běžné interakce děr. Skutečný mechanismus dosud nebyl nalezen.

Supravodivost nachází uplatnění na mnoha místech. Supravodivé elektromagnety se dnes používají, když chceme dosáhnout silných magnetických polí bez obvyklých ztrát energie, k nimž dochází v elektromagnetech, v jejichž cívkách jsou použity běžné vodiče. Problém vznikne, pokud chceme dosáhnout velice silných magnetických polí. Ve vinutí samotného magnetu dochází k indukování magnetického pole a příliš vysoké magnetické pole může narušit supravodivost cívky. Tento problém lze zmírnit používáním takzvaných supravodičů „II. druhu“. Jde o supravodiče, v nichž není magnetické pole z daného kovu vytlačeno zcela, nýbrž dokáže do supravodiče proniknout tenkými „trubicemi“ magnetického toku. Elektromagnety, které využívají takovýto supravodivý drát, dokáží vytvořit velmi silné magnetické pole. Schopnost supravodičů odstínit magnetické pole lze využít také ke zdokonalení elektronových mikroskopů.

Snad nejznámějšími příklady využití supravodičů jsou „Josephsonův přechod“ a zařízení zvané „SQUID“ (supravodivý kvantový interferenční detektor). Obě využívají objev britského doktoranda Briana Josephsona. Philip Anderson, který je sám také nositelem Nobelovy ceny, si vzpomíná, jak roku 1962 přednášel na univerzitě v Cambridge fyziku pevných látek a mezi studenty byl Josephson:

Mohu vás ujistit, že pro přednášejícího to byl znepokojivý zážitek, protože všechno muselo být správně, jinak by za mnou po přednášce přišel a vysvětlil mi to.

Josephson studoval kvantovou teorii sendvičového materiálu složeného ze tří vrstev – supravodiče, izolátoru a supravodiče, kde výplňová látka, izolátor, tvoří pouze velmi tenkou vrstvu. Ukázal, že Cooperovy páry mohou tímto přechodem protunelovat a díky tomu dochází k velice zajímavým jevům. Jednou z předpovědí bylo, že přechodem bude procházet proud, i když nebude pod napětím! Vypočítal také, co by se stalo v přítomnosti magnetického pole či oscilujícího napětí o velmi vysoké frekvenci doprovázeného konstantním napětím. Posledně zmíněné uspořádání umožňuje velice přesně změřit poměr základních konstant h/e (Planckova konstanta vydělená nábojem elektronu). Josephsonův jev byl použit při měření neuvěřitelně malých rozdílů napětí a lze jej také využít jako citlivý detektor radiace. Když jeden či více Josephsonových přechodů připojíte do elektrického obvodu, můžete vyrobit zařízení, které dokáže nesmírně přesně měřit magnetické pole. Tímto zařízením je výše zmíněný detektor SQUID, který se dnes používá v natolik odlišných oblastech, jako je lékařství a geologie. Všechny tyto aplikace jsou možné díky tomu, že Boseho kondenzace Cooperových párů v supravodiči nám dovoluje pozorovat ve velkém měřítku kvantové jevy, které by jinak byly omezeny na rozměry atomů.

Tento text (+ obrázky, schémata a grafy) je úryvkem z knihy Nový kvantový vesmír
Tony Hey, Patrick Walters: Nový kvantový vesmír, Argo a Dokořán, Praha, 2005,
http://argo.kosmas.cz/detail.asp?id=126447
http://www.dokoran.cz/index.php?p=book.php&id=188

Anotace vydavatele:
"Poutavý a zasvěcený úvod do jedné z nejvlivnějších teorií 20. století určený laikům a založený na příkladech z každodenního života. Máme před sebou knihu, jež na základě středoškolských znalostí dokáže pomocí v podstatě nematematického výkladu zprostředkovat vhled do základních principů, jimiž se řídí kvantový svět. Autoři se zabývají rovněž oblíbenými kvantovými paradoxy a dávají čtenáři na výběr několik možných vysvětlení. Důležitost kvantové teorie vysvitne i v souvislosti s nadcházející nanotechnologickou revolucí, která bude zřejmě v tomto století určovat směr rozvoje technologií a spolu s kvantovou kryptografií a kvantovými počítači se přiblíží až na samou hranici snů z oblasti vědecko-fantastické literatury, jíž ostatně autoři vyhradili celou jednu kapitolu v závěru knihy. Srozumitelný a živý výklad je doprovázen četnými pečlivě zvolenými fotografiemi a přehlednými diagramy. Tato působivá a propracovaná kniha je nepochybně čtivým dárkem pro všechny zájemce o tajemnou a lákavou kvantovou teorii."

autor