14. augusta 2020
Supravodivosť

Supravodivosť

Supravodivosť je fenomén, ktorý šokoval svet fyziky začiatkom 20. storočia, kedy si už takmer všetci mysleli, že ako tak porozumeli svetu. Pohľad na svet opisovalo niečo, čo dnes voláme klasická fyzika, v tomto prípade klasickej elektrodynamiky a s tým zahrňujúcich tzv. Maxwellových zákonov [1]. Vtedy sme chápali klasickému elektrickému vodiču (napr. normálny kus medeného drôtu) tak, že po aplikovaní elektrického napätia bude týmto vodičom pretekať elektrický prúd, ktorého veľkosť je nepriamo úmerná elektrickému odporu, R (klasický Ohmov zákon [2]). Vedelo sa, že práve tento elektrický odpor je „akási“ protisila, ktorá bráni elektrickému prúdu tiecť aj po vypnutí elektrického napätia. Zároveň sa vedelo, že elektrický odpor R závisí od teploty. (Poznámka pre fajnšmekrov: rozptyl elektrónov na kmitoch mriežky, alebo ak chcete kvantovo-mechanicky na fonónoch.)

Najkľúčovejšie v objavení supravodivosti bolo skvapalňovania rôznych plynov, čo nás dostalo do oblasti dovtedy nedosiahnuteľne nízkych teplôt, čo umožnilo štúdium rôznych fyzikálnych vlastností. Najdôležitejšie bolo azda, keď Heike Kamerlingh Onnes v roku 1908 založil disciplínu nízkoteplotnej fyziky skvapalnením hélia (4He), čím sa nám umožnil študovanie materiálov už pri teplotách okolo 4,2 K (-269 °C). (Poznámka: V Kelvinoch, K, sa meria teplota od absolútnej nuly. Prepočet na stupňe Celzia je jednoduchý, teplota v K je o 273,15 viac ako v °C. Napríklad 300 K = 26.85 °C. Ide vlastne len o posunutie hodnôt, ktoré ocenia fyzici pracujúci v blízkosti absolútnej nuly.)

Už vtedy existovalo niekoľko teórii, ako sa pri absolútnej nule správa elektrický odpor, v zásade šlo o tri hypotézy. Niektorí si mysleli, že odpor bude lineárne klesať s klesajúcou teplotou (podobne ako blízko izbovej teploty) a pri absolútnej nule odpor zanikne, bude nulový. Druhí si mysleli, že odpor sa stabilizuje na istej nenulovej hodnote aj pri absolútnej nule. Posledná skupina hypotetizovala, že R bude, blížiac sa k absolútnej nule, strmhlav narastať.

To, čo sa zistilo pri skúmaní teplotnej závislosti odporu v prípade ortuti bolo úplne neočakávané. Počas merania odporu v závislosti od teploty, sa pozoroval strmý pokles odporu na vtedy nemerateľné hodnoty a to už pri teplote okolo 4,3 K. Po podrobnejšom preštudovaní sa ukázalo, že hodnoty pri jednosmernom prúde sú naozaj „nula“, tieto výsledky boli potvrdené aj pomocou merania tzv. kvantovania magnetického toku [3]. Hodnota, pri ktorej tento pokles nastane, sa označuje ako kritická teplota, Tc, hovoríme, že pri nej dochádza k prechodu do supravodivého stavu. Neskôr sa ukázalo, že s týmto stavom hmoty súvisia aj ďalšie veličiny – kritické pole, Hc a kritický prúd, Ic, čím je celkový supravodivý stav ohraničený v akomsi 3D priestore týchto troch parametrov.

Neskorším skúmaním iných materiálov, najprv hlavne jednoduchých prvkov a hlavne kovov, sa ukázalo, že vlastne väčšina z nich je supravodivá pri istej nízkej teplote Tc. Paradoxne najlepšie vodiče ako zlato či striebro nevykazujú tento stav. Postupným študovaním rôznych materiálov sa odhalilo, že nielen prvky, ale množstvo iných zlúčením vykazujú supravodivý stav, dnes ich poznáme už desaťtisíce. Okrem nulového odporu v jednosmernom zapojení sa zistilo, že tento fenomén má aj iné fyzikálne vlastnosti. Napríklad, že ak aplikujeme magnetické pole na supravodič, tak po istú kritickú hranicu, Hc, bude toto pole úplne vypudzované, čím sa „zabráni“ vniknutiu vonkajšieho magnetickému poľu dovnútra. Toto vedie k ideálnemu diamagnetizmu (magnetickému „odpudzovaniu”), ktoré vedie k známej magnetickej levitácií. Odporúčam si vygoogliť „lietajúca, nesupravodivá žaba na magnete“ [4]. (Znova pre fajnšmekrov by som chcel spomenúť, že quantum locking [5], na čom sú založené magneticko-levitujúce vlaky, je iný fenomén, ale pre účely tohto príspevku nechcem ísť do detailov. Týmto by som sa obmedzil na tieto dva dôležité fakty: R=0 a perfect diamagnetism.)

Počas jedného storočia a publikovania tisícok prác na túto tému sa podarilo objaviť neskutočne veľa supravodivých materiálov, množstvo ich „rodín” [6, 7], no keďže sa supravodivosť ukazovala len pri veľmi nízkych teplotách  (Tc < 30 K – tzv. nízkoteplotné – do cca. 1970), a berúc do úvahy množstvo inžinierskych prekážok, ktoré sa museli prekonať pre ich implementáciu do vodičov prúdu, ich reálne aplikácie ešte len nechali na seba čakať. Absolútne šokujúci bol však objav „vysokoteplotných supravodičov“ – naozaj len relatívne pomenovanie (z ang. HTS – High Temperature Superconductors), čím sa hon za vysokou hodnotou Tc mohol začať. V roku 1987: Tc = 95 K = -178°C (YBCO), 1988: Tc = 110 K = -163 °C (Bi2223) a v 1993: Tc = 133 K = -140 °C (Hg-2223). Berúc do úvahy rýchlosť narastania Tc v čase, myslelo sa, že za ďalších 20 rokov tu máme supravodiče pri izbovej teplote v elektrickej sieti, čim by sa vyriešila energetická kríza v budúcnosti. No ale aj tu sa neskôr ukázalo, že príroda nám zas až tak nefandí. Momentálne je síce najvyššia Tc nameraná okolo 250 K [8], čo by sa už na takom Sibíri alebo Antarktíde dalo pokladať za izbovú teplotu, toto nanešťastie bolo namerané len vo veľmi špeciálnom plyne (LaH10), a aj to pri tlakoch miliónov atmosfér a v objeme asi 1 mm3.

Nie je zatiaľ použiteľné pri každodennom živote, no ako nám história ukazuje, takýto objav môže neskôr viesť k nápadu, ktorý transformuje svet. Na druhej strane, fakt je ten, že aj keď sa ľudstvo zaoberá supravodivosťou už viac ako 100 rokov po experimentálnej ale aj teoretickej stránke [9], nikto nevie, ako tento fyzikálny fenomén funguje na kvantovej úrovni. Jediné, čo si myslíme je, že na kvantovej úrovni elektróny vytvárajú isté „dance“ páry (Cooperove), čím nedochádza k rozptylovaniu hybnosti, ale prenosu náboja z jedného miesta na druhé, teda môžeme dospieť nulovému odporu. (Fajnšmekri: BCS teóriu, postavenú na elektrón-fononóvej interakcii vysvetľujúcu hlavne prvkové supravodiče, nerátam, keďže si nevie rady so všetkými typmi supravodičov, ako sú HTS, alebo aj so supravodičmi na báze železa – jedna z „rodín“).

Na druhej strane, vo vede, a vo fyzike špeciálne, sme sa naučili, že častokrát nemusíme úplne vedieť ako veci presne fungujú, ztačí vedieť, ako s nimi narábať..

Supravodivosť, čo teda?

Pomerne dlho trvalo, kým sa supravodivosť dostala do skutočného sveta aplikácií, hlavne kvôli množstvu technologicko-inžinierskych problémov, ktoré sa ukázali ako oriešok, a ktoré sú vždy súčasťou štandardného vývoja. Po objavení nízkoteplotných supravodičov každému napadlo, že ich ideálne použitie bude vedenie elektrického prúdu v elektrických sieťach, prípadne generovanie veľmi silných magnetických polí. Však kto by nechcel mať elektrické vedenie bez „strát“, keďže ročne takto míňame elektrinu v rádoch miliárd eur. Bohužiaľ, aj táto myšlienka sa veľmi rýchlo rozplynula, keď sa neskôr ukázalo, že supravodivý stav aj pri teplotách tekutého hélia neznesie vysoké hodnoty kritického prúdu (tzv. supravodiče prvého typu). To sa však zmenilo s príchodom supravodičov druhého typu.

V zásade, z komerčného hľadiska sú v reálnych aplikáciách využívané dva druhy supravodivých: NbTi a Nb3Sn. Oba druhy sú vo forme multifilamentárnych vodičov [10], ktoré prevažne nabrali na význame v 60. a 70. rokoch minulého storočia. Tieto supravodiče sa využívajú v supravodivých magnetoch na tvorenie vysokých magnetických polí, keďže, ak napumpujeme supravodivý magnet elektrickým prúdom, tak tento prúd bude v zásade stabilne prúdiť pokiaľ udržím v supravodivý stav. Toto zabezpečuje stabilitu poľa a aj jeho vysokú homogenitu v čase, ktorú nevie úplne vždy zabezpečiť klasický magnet navinutý z medených vodičov (napr. úplne kľúčové v prípade Magnetickej rezonancie – MRI). Takéto magnety majú široké využitie v množstvách urýchľovačov častíc (LHC), v niektorých fúznych reaktoroch (ITER, TORE supra), a v ďalších experimentálnych zariadení a konceptoch (supravodivé motory,…). Bez nich by sme si sotva tieto prístroje vedeli predstaviť. Ďalšia ich obrovská výhoda je, že takéto magnety musíme síce chladiť, môžu by však objemovo oveľa spratnejšie. Na druhej strane magnety nie sú isto jediná aplikácia supravodičov, viď supravodivý levitujúci MagLev rútiaci sa 500 km/h (Chūo Shinkansen – momentálne skúšaný Central Japan Railways [11]), využívajúci už spomínaný perfect diamagnetism / quantum locking). Ďalej napríklad detekcia extrémne nízkych magnetických poli pomocou supravodivých kvantových magnetometrov, tzv. SQUID-ov [12]), jednofotónové supravodivé detektory, a samozrejme nemôžeme zabudnúť na kvantové počítače budúcnosti, ktoré z najväčšou pravdepodobnosťou budú stále založené na supravodivých rezonátoroch (viac pre aplikácie – [13]).

NMR prístroj. Zdroj.

Supravodivosť a NMR

Moja úloha na EPFL/PSI je spolupráca s firmou BRUKER BioSpin (Fällanden, Švajčiarsko) [14], ktorá sa zaoberá hlavne výrobou prístrojov Nukleárnej Magnetickej Rezonancie (NMR), určených pre chemické analýzy detekcie zlúčenín a ich priestorového „tvaru/orientácie” [15]. Srdcom takéhoto stroja nie je nič iné ako obrovský supravodivý magnet, ktorý orientuje jadrové spiny v danom prvku (v zásade sa vybudzujú protóny vodíku, hovoríme teda o 1H NMR, ale môže byť samozrejme ladený aj na ľubovoľný typ atómu s nevykompenzovaným jadrovým spinom). Silnejšie pole znamená lepšie rozlíšenie NMR prístroja. Ako som už spomenul, komerčne sa využívajú spravidla dva typy vodičov, ktoré boli technologicky dostatočne zvládnuté. Ak chceme mať NMR ladené do 400 MHz (gyroskopická frekvencia precesie vo 1H NMR na 1 tesla ~ 42 MHz – vybudzovanie jadrových momentov sa odohráva elektromagnetickými/rádiovými vlnami), tak použijeme vodiče NbTi. Ak chceme NMR s vyššou rezonanciou a teda vyšším rozlíšením, do 25 T, siahneme po Nb3Sn vodičoch (alebo ich kombináciu). Ak ale chceme ísť vyššie, tak už začíname mať problém, keďže hodnota kritického poľa už nám nestačí aby magnet zostal v supravodivom stave. Aj pre tieto aplikácie sa už vyše 25 rokov vyvíjajú HTS vodiče buď na báze REBCO/YBCO pások, alebo tzv. BSCCO (Bi2212) vodičov [16], ktoré sú jediné vo forme klasických multifilamentárnych vodičov, a ktoré zároveň netrpia vysokou anizotropiou a stratami v silnom magnetickom poli (oproti napr. YBCO). Naša vedecká skupina sa snaží, ako jedna z mála, pripraviť cievky z tohto materiálu do NMR, za účelom posunutia hraníc NMR aplikácií nad 30 tesla (nad 1.2 GHz), a tak dopomôcť k lepšej, a presnejšej chemickej analýze zlúčenín, a to práve, chemikom, biológom, farmaceutom a lekárom. Pretože aj toto dopomôže časom k lepšiemu pochopeniu chemických zlúčenín a vývoju liekov budúcnosti.

[Robo]

PS: Prvé 1,2 GHz NMR bolo inštalované nedávno [17], keď to vidíte na vlastne oči, je to celkom veľké!

Literatúra

Pridaj komentár