Kuo toliau, tuo labiau, pasaulis apie mus tampa apraizgytas įvairiais laidais. Jie slepiasi kompiuteriuose, laikrodžiuose ir bet kokiuose kituose elektriniuose prietaisuose. Net ir iškirtę sienoje skylę rastume laidų: elektros, televizijos, telefono – tą žino visi. Šiek tiek sunkiau pastebėti, kad tais laidais tekant elektros srovei, jie neišvengiamai kaista.

Laidų kaitimo principą puikiai iliustruoja kaitrinės lemputės veikimas: jos siūliukas tekančios srovės įšildomas tiek, kad ima šviesti. O šiluma, kaip žinia, susijusi su energijos nuostoliais. Lemputę juk įjungiame tam, kad šviestų, o ne tam, kad šildytų. Šildančių lempučių atvejis nėra itin grėsmingas – žiemą namuose šilumos nebus per daug, tačiau kaip dėl elektros perdavimo linijų (jos šildo orą, o tai – energijos nuostoliai, dėl ko galiausiai brangiau mokame už elektrą) arba elektrinių variklių gamyklose (jie kartais kaista taip stipriai, kad tenka aušinti vandeniu)? Net ir Šiaudinei Kaliausei aišku, kad kartais būtų gerai tos nereikalingos šilumos išvengti.

Šalti laidai

Medžiaga, kuri visiškai išspręstų minėtąją problemą, moksliškai vadinama „kambario temperatūros superlaidininku“. Paprastai kalbant, superlaidininkas – medžiaga, kuri neturi varžos ir todėl visiškai nekaista tekant srovei. „Kambario temperatūros“ reiškia tai, kad tokios medžiagos nereikia šaldyti ar šildyti – ji turi nulinę varžą kambario temperatūroje.

Mokslui taip pat žinomas ir vienas svarbus su šia medžiaga susijęs faktas – ji kol kas neatrasta. Čia būtų galima straipsnį ir baigti, jei nebūtų žinomi keli kiti įdomūs faktai: už superlaidumo tyrimus jau paskirtos 5 Nobelio premijos, o superlaidžių medžiagų skaičius seniai skaičiuojamas dešimtimis. Deja, tos medžiagos tampa superlaidžios tik gerokai atšaldžius (virtuvinis šaldiklis nepadės). Bet apie viską iš pradžių.

Šaldyti madinga

Laidai kaista dėl to, kad jų atomai vibruoja, o elektronai trankosi į tuos atomus. Kuo atomai mažiau vibruoja, tuo elektronai mažiau į juos trankosi. Norėdami tuo įsitikinti, įsivaizduokite, kad turite nusitaikyti ir pramesti akmenuką (elektroną) tarp dviračio rato stipinų (atomų gardelės) – tai padaryti lengviau, kai ratas nesisuka, arba sukasi lėtai (lėti atomų svyravimai). Kaip sumažinti atomų vibracijas? Šaldyti!

Rimtas šaldymas prasidėjo 1908 metais Olandijos mieste Leidene, kur stambus vyrukas, pavarde Onnes, darbavosi prie ne mažiau stambaus šaldymo aparato. Jam pavyko suskystinti helį (tam reikia labai žemos temperatūros), kuris buvo paskutinis tuo metu nesuskystintas elementas, o vėliau Onnes ėmėsi laidininkų varžos tyrimų. Įsivaizduokit, kaip turėjo nustebti mokslininkas, kai į šaldymo aparatą įkišus gabalą gyvsidabrio, pastarojo varža ne šiek tiek sumažėjo, o visiškai dingo! Iš to, kad H. K. Onnes 1913 m. gavo Nobelio premiją, galime spręsti, kad nustebo ne jis vienas.

Nuo to laiko šaldyti visokias medžiagas ir matuoti jų varžą pasidarė madinga. Netrukus buvo pastebėta, kad superlaidumu pasižymi įvairiausios medžiagos: nuo paprasčiausio švino iki niekam negirdėto niobio nitrido. Tiesa, mokslininkus stebino faktas, kad geri laidininkai, kaip kad auksas ar varis, superlaidumu nepasižymėjo net ir itin žemoje temperatūroje. Tyrinėtojai pastebėjo ir kitą su superlaidumu susijusį reiškinį – medžiaga išstumia iš savęs magnetinį lauką, kai tampa superlaidi. Šis 1933 m. atrastas reiškinys vadinamas Meissner‘io efektu.

Meissner‘io efektas

Normaliam žmogui turėtų būti visiškai neaišku, kodėl taip nuobodžiai apibrėžtas Meissner‘io efektas išvis kam nors įdomus. Šuo pakastas paprastame šio reiškinio pritaikyme – kai medžiaga tampa superlaidi, ant jos padėtas magnetas ima levituoti!

Panaudojimas praktikoje akivaizdus – galime pagaminti traukinuką, kuris važiuoja neliesdamas bėgių

Meissner‘io reiškinį nesunku ir suprasti. Magnetinį lauką superlaidininko viduje anuliuoja paviršiuje tekančios srovės. Vaizdumo dėlei galima įsivaizduoti, kad tos srovės sukuria veidrodinį ant superlaidininko esančio magneto atvaizdą. Vadinasi, du magnetai (tikrasis ir „veidrodinis atvaizdas“) atsiduria vienas šalia kito, be to, jie atsukti vienas į kitą vienodais poliais. Kaip žinome, vienodais poliais vienas į kitą nukreipti magnetai neišvengiamai vienas kitą stumia, o šiuo atveju stūma tokia stipri, kad jos pakanka minėtajam magnetui pakelti į orą!

Kodėl?

Išsiaiškinome, kad superlaidininkai pasižymi keistomis savybėmis – neturi varžos ir moka sklandyti virš magnetų. Taip pat pastebėjome, jog šie du reiškiniai yra susiję. Tačiau mums vis vien liko neaišku, kodėl superlaidininkų elgsena taip dramatiškai skiriasi nuo paprastų laidininkų. Ar mokslininkai toje srityje nuveikė ką nors įdomaus nuo 1933 metų?

Žinoma, kad nuveikė – ir nemažai! Pirmieji vaisingai pasidarbavo broliai London‘ai (nors jie ir dirbo Oksforde, bet buvo vokiečiai, tad su Londono miestu turėjo mažai ką bendro). London‘ai 1935 m. sugebėjo užrašyti lygtis, iš kurių aiškiai matėsi, kad kažkas panašaus į Meisser‘io efektą privalo vykti. Be to, eksperimentiškai pastebėta, kad pakankamai stipri elektros srovė, tekanti superlaidininku, arba pakankamai stiprus magnetinis laukas, esantis šalia superlaidininko, superlaidumą panaikina. Šie labai svarbūs superlaidininkų taikymui dydžiai pavadinti atitinkamai kritiniu srovės ir magnetinio lauko stipriu (beje, temperatūra, kai medžiaga tampa superlaidi, vadinama kritine temperatūra). London‘ų lygtis leido kritinius srovę ir magnetinį lauką susieti – tad išmatavus vieną, nebereikėjo matuoti kito. Rezultatas neblogas, bet buvo aišku, kad iki teorijos, kuri atsakytų į visus „kodėl“ dar labai toli.

Bet visgi kodėl?

Kitą svarų indėlį supratimo link įkvėpė 1937 atrastas supertakumas (tekėjimo be trinties reiškinys) helyje. Tarybiniai mokslininkai Ginzburg‘as ir Landau 1950 m. pasiūlė teoriją, kad superlaidininkuose dalis elektronų tampa supertakūs (kaip kad helio atomai), todėl juda be pasipriešinimo ir lemia nulinę varžą. Ši teorija irgi buvo fenomenologinė, t.y. nepaaiškino superlaidumo iš pagrindų, nors ir veikė dar geriau negu London‘ų teorija. Naujasis pasiekimas kritinius dydžius leido apskaičiuoti net ir nevienalytėse sistemose (kur kas nors kinta erdvėje, pavyzdžiui, tik dalis bandinio yra superlaidi). Be to, pasidarė įmanoma prognozuoti naujus reiškinius. Verta paminėti, kad Landau-Ginzburgo teoriją kai kurie autoriai vadina „fizikinės intuicijos triumfu“, o Landau ir Ginzburgas, žinoma, gavo po Nobelio premiją.

Debesys mokslo padangėje

Tuo metu, kai buvo pasiūlyta Landau-Ginzburgo teorija, mokslininkų galvose sklandė keli faktai, kurie sunkiai lipo į bendrą visumą. Buvo žinoma, jog elektrą laidininkuose perduoda elektronai. Tačiau kritinė temperatūra priklausė ne tik nuo medžiagos, bet ir nuo jos izotopo (kiek neutronų yra medžiagos atomo branduolyje), o elektronams tai lyg ir neturėjo rūpėti. Antra vertus, superlaidininkų varža buvo lygiai nulis, o ne labai maža, kas buvo taip pat nesuderinama su įprastiniu elektronų elgesiu kietuose kūnuose. Žiūrint iš mūsų laikų perspektyvos, piršosi išvada, kad elektros srovę superlaidininkuose sudarė ne elektronų, o kažkokių kitokių dalelių srautas.

Paprasčiausia „kitokia“ dalelė yra dviejų elektronų pora. Deja, beveik kiekvienam fizikui aišku, kad elektronai stumia vienas kitą, nes jų krūvis yra vienodo ženklo („-“). Be to, elektronai priklauso dalelių klasei, moksliškai vadinamai „fermionais“, kurios grubiai tariant yra asocialios – nemėgsta būti kartu. Todėl kas jau kas, bet elektronai tai jau tikrai neatrodė linkę poruotis.

Traukia ne vien priešybės

Nepaisydami ką tik užrašytų faktų, elektronus suporuoti vis bandė trys užsispyrę Ilinojaus universiteto mokslininkai – Bardeen‘as, Cooper‘is ir Schrieffer‘is (toliau – BCS). Jiems pavyko žingsnis po žingsnio paaiškinti, kodėl elektronai superlaidininkuose poruojasi ir ką tai iš tiesų reiškia.

Visų pirma, trijulei pavyko įrodyti, kad esant net ir silpnai traukai tarp elektronų, nežiūrint elektrostatinės stūmos, dviejų elektronų pora yra stabili. Tada pavyko paaiškinti, iš kur atsiranda ta mistinė trauka tarp vienodo krūvio dalelių. Pasirodė, jog elektronai stumdo atomus kristale kaip tik tokiu būdu, kad pradėtų jausti trauką vienas kitam (truputį platesnis paaiškinimas: http://lt.wikipedia.org/wiki/BCS_teorija). Nors idėja kai kuriems mokslininkų kolegoms atrodė beprotiška, bet jie negalėjo nuginčyti, kad tokia traukos jėgos prigimtis paaiškino izotopų poveikį superlaidumui (skirtingi izotopai turi skirtingą masę, o didesnę masę išjudinti sunkiau).

Bet kodėl elektronų poros perduoda srovę daug geriau negu pavieniai elektronai? O kodėl medžiagai atšilus superlaidumas dingsta? Tai sunkūs klausimai, į kuriuos atsakyti klasikinės dviejų kūnų fizikos būdais neįmanoma.

Supermenas

Dėl šios priežasties mums teks pasitelkti Supermeną. Mūsų Supermenas – elektronų porų visuma superlaidininke. Pasak BCS, negalima žiūrėti į kiekvieną porą atskirai, nes tada superlaidumo neįžvelgsi, kaip kad neįžvelgsi didelių galių žiūrėdamas į vieną Supermeno plauką. Priešininkų talžomas Supermenas nepavargsta, kaip kad mūsų elektronų poros nepraranda energijos, jei kuris nors iš poros elektronų atsitrenkia į atomą. Tiesą sakant, jei koks nors elektronas atsitrenkia į kokį nors atomą, jis tiesiog patenka į kitą porą ir todėl bendras visos sistemos vaizdas nepakinta (jokios varžos!). Deja, Supermeno galia turi priešnuodį – mistiškąjį kriptonito elementą. Mūsų sistemos „kriptonitai“ – aukšta temperatūra, stipri srovė ar magnetinis laukas – veikia visiškai taip pat. Jie silpnina visą sistemą, o pakankamas jų kiekis ar kombinacija gali nužudyti Supermeną (superlaidumas išnyksta).

Kalbant šiek tiek labiau moksliniais terminais, BCS pasitelkė kvantinę lauko teoriją ir parodė, kad jei elektronai nors truputį traukia vienas kitą, jų visumos būsenos nebegalime aprašyti atskirų elektronų būsenų suma. Taigi, labai žemoje temperatūroje įvyksta visuotinis elektronų susiporavimas, dramatiškai pakeičiantis sistemos vaizdą. Be to, tyrėjai įrodė, kad naujoji būsena (susiporavusių elektronų) yra stabili – neužtenka mažo stuktelėjimo visiems elektronams „atporuoti“. Galiausiai parodyta, kad elektronams atskirti vienam nuo kito reikia energijos. Tą energiją sistema gali gauti šilumos pavidalu, tad medžiagai atšilus superlaidumas dingsta.

Nereikia nė minėti, kad už Supermeno gimimo, gyvenimo bei mirties aprašymą Bardeen‘ui, Cooper‘iui ir Schrieffer‘iui atiteko 1972 metų fizikos Nobelio premija.

Audra plytoje

Bėgant metams ėmė aiškėti, kad ne superlaidininkai tarpusavyje skiriasi. Pirmiausia ši mintis atėjo tarybiniam fizikui, smagia pavarde Abrikosov. 1953 m. Abrikosov‘as buvo neseniai gavęs šūsnį grafikų iš superlaidininkų tyrimų laboratorijos. Grafikai rodė, kad kartais vietoj tobulo magnetinio lauko išstūmimo iš bandinio (Meissner‘io efekto), magnetinis laukas išstumiamas tik dalinai. Tačiau toks reiškinys prieštaravo tuometinei Landau teorijai. Kaip žinia, Landau Tarybų Sąjungos mokslinėje bendruomenėje buvo labai įtakingas, o nuo prigimties dar ir arogantiškas (vienu metu ant jo kabineto durų kabėjo lentelė „L. Landau. Atsargiai, kandžiojasi.“), todėl jam prieštarauti reikėjo nemažai drąsos.

Nepaisant to, kad Landau vadino jo darbą pseudomokslu ir net keturis metus blokavo rezultatų publikavimą, Abrikosov‘as juokėsi paskutinis (2003 m. Nobelio premija). Ką tokio ypatingo padarė Abrikosov‘as? Visų pirma, jis šiek tiek patobulino Landau teoriją, kad ši atitiktų eksperimento rezultatus. Detaliai išnagrinėjęs patobulinimus, mokslininkas pastebėjo, kad esant tam tikrai temperatūrai ir magnetinio lauko stipriui, kai kuriuose superlaidininkuose atsiras daug mažų magnetinio lauko sūkuriukų, kurie skverbsis per visą bandinio tūrį plonais cilindrais. Skamba egzotiškai ir galbūt nemoksliškai, bet praėjus 10 metų po atradimo, toks reiškinys iš tiesų pastebėtas eksperimentiškai, o kai kurie mokslininkai jį šiuo metu bando panaudoti kvantiniam kompiuteriui sukurti. Tačiau svarbiausia, kad sūkuriukai leido suskirstyti superlaidininkus į dvi kategorijas: pirmo ir antro tipo.

Įtartinas tipas

Antrasis superlaidininkų tipas iškart pasirodė įtartinas, nes jam negaliojo BCS teorija. Tačiau jis įtartinas ne tik neigiama prasme: jei negalioja BCS teorija, tai negalioja ir tos teorijos pateikiami argumentai, kodėl kritinė temperatūra privalo būti labai žema. Šioje vietoje tiesiog privaloma paminėti kelis skaičius. 1973 pasiektas ilgametis kritinės temperatūros rekordas buvo 23K (K yra Kelvino temperatūros skalės laipsniai, Kelvinai). BCS teorija brėžė aukščiausios temperatūros ribą ties 30 K. 30 Kelvino skalės laipsnių yra maždaug -243 laipsniai pagal Celsijų (brr!). Pagal Kelvino skalę, žemiausia temperatūra Žemės paviršiuje (ne laboratorijoje!) yra 184K. Palyginimui, standartinės šaldymui laboratorijoje naudojamos dujos, helis ir azotas, užverda atitinkamai 4K ir 77K temperatūroje. Vadinasi, paprasčiausiu pylimo būdu galima ką nors atvėsinti iki 4K, jei yra skysto helio, ar iki 77K, jei turima skysto azoto. Taigi jei kas nors 1980 metais būtų užsimanęs pažaisti superlaidžiu traukinuku, būtų turėjęs pakloti nemenką pinigų sumą – skystas helis yra brangus.

Viskas dar kartą pasikeitė 1986 sausį, kai Šveicarijoje, IBM tyrimų centre (atrodo, panašų dabar norima įkurdinti ir Lietuvoje), eksperimentatoriai Müller’is ir Bednorz’as šaldė įvairias keramikos tipo medžiagas. Jiems pavyko surasti medžiagą, kurios kritinė temperatūra buvo 30K. Prasidėjo tikra beprotybė: visi puolė šaldyti įvairias medžiagas ne mažiau pašėlusiai, nei po Onnes atradimo amžiaus pradžioje. Müller’io ir Bednorz’o pasiekimas buvo svarbus dviem aspektais – visų pirma, eksperimentiškai įsitikinta, kad galima viršyti BCS teorijos temperatūros ribą. Visų antra, niekas nebuvo atkreipęs dėmesio, kad keramika gali būti superlaidi (kas galėtų pagalvoti apie laidus iš molio?), tad superlaidumo tyrimams atsivėrė nauja medžiagų klasė. Müller’is ir Bednorz’as laimėjo 1987 m. Nobelio premiją.

Yb ar ne Yb, štai kur klausimas

1986 ir 1987 tapo antrojo tipo superlaidininkų aukso amžiumi. Buvo atrasta visa krūva naujų „aukštos temperatūros“ superlaidininkų, o ypač pasisekė Chu komandai iš Houston‘o universiteto. Chu perskaitė Müller’io ir Bednorz’o straipsnį bei iškart ėmėsi darbo, o jau 1987 sausį turėjo 93K kritinės temperatūros superlaidininką. Šio atradimo svarbą iliustruoja faktas, kad žaisti su levituojančiais traukinukais dabar gali kiekvienas, galintis investuoti kelis šimtus litų (skystas azotas kainuoja pigiau negu pienas).

Tačiau kaip paskelbti tokį atradimą? Juk nusiuntus straipsnį į mokslinį žurnalą, jis peržiūrimas nepriklausomo vertintojo ir tik po to išspausdinamas. Kas bus, jei tas nepriklausomas vertintojas sumanys pakartoti atradimą ir jį paskelbti greičiau kokiame nors kitame leidinyje? Chu sumanė gudrybę – straipsnyje specialiai įvėlė nedidelę klaidą naujai atrastojo superlaidininko cheminėje formulėje. Vietoj Iterbio (Yb) jis užrašė itrio elemento simbolį (Y) ir apie klaidą pranešė redakcijai tik prieš pat straipsniui išeinant. Likimo ironija – pasirodė, kad net ir išgalvotoji medžiaga yra superlaidininkas, tik ne tokios aukštos kritinės temperatūros. Kita vertus, Chu įtarimai pasitvirtino, nes kelios kitos mokslininkų grupės pasiskelbė atradusios naująjį itrio superlaidininką jo straipsnio pasirodymo metu.

Šviesi ateitis

Nuo 1987 superlaidininkų srityje vėl daugmaž ramu. Kritinė temperatūra pasistiebė iki 135 K, bet iš esmės naujų rūšių superlaidininkų atrasta nebuvo. Taigi, iki kambario temperatūros (~300K) dar toli. Be to, trūksta antrojo tipo superlaidininkų teorijos. Kai kurie mokslininkai mano, kad jei tokia teorija būtų sukurta, ją būtų galima panaudoti medžiagų inžinerijai. Tokiu atveju galėtume iš anksto apskaičiuoti, kokia bus tam tikros medžiagos kritinė temperatūra.

Visgi superlaidininkai taikomi net ir šiomis dienomis, deja, ne mūsų namų elektronikoje. Iš superlaidininko pagamintą magnetą rasime kai kuriose ligoninėse, kur veikia magnetinio rezonanso aparatai, padedantys aptikti smegenų auglius ir taip išgelbėjantys šimtus žmonių gyvybių kasmet. Taip pat ir žymusis CERN greitintuvas neveiktų be superlaidžių magnetų, o jo 2008 m. avarija nutiko būtent tada, kai vienas iš elektromagnetų perkaito ir prarado superlaidumą. Superlaidumas taikomas metrologijoje (volto apibrėžime) ir atliekant labai tikslius magnetinių laukų matavimus: ieškant naftos, geoterminės energijos ar prognozuojant žemės drebėjimus. Kartais net keista, į kiek daug sričių superlaidžios medžiagos sugebėjo įsiskverbti, nepaisant sudėtingos ir gremėzdiškos šaldymo įrangos.

Apžvelgus superlaidumo praeitį ir dabartį atrodo beveik neišvengiama, kad anksčiau ar vėliau kambario temperatūros superlaidininkas bus atrastas ir pakeis pasaulį nepalyginamai stipriau, nei koks nors vienišas Higgs‘o bozonas šaltame CERN‘o požemyje.

Šaltiniai:

• S. Blundell: Superconductivity, a very short introduction
• M. Tinkham: Introduction To Superconductivity
• Wikipedia.org
• http://www.ict.kth.se/courses/IM2661/laureats.html
• http://www.nytimes.com/2007/03/06/science/06supe.html 

Komentarai (21)