Superlaidumas. Vartiklis: fizika

Svarbi medžiagų savybė yra elektrinė varža. Ji ir jai atvirkščias dydis (laidumas) apibūdina, kaip toji medžiaga praleidžia elektros srovę. Varža priklauso nuo daugelio sąlygų. Pvz., puslaidininkiams ji labai priklauso nuo apšvietimo. Kita svarbi priklausomybė yra nuo temperatūros. Buvo išsiaiškinta, kad tam tikrais atvejais esant labai žemai temperatūrai elektrinė varža visai išnyksta – tas reiškinys ir pavadintas superlaidumas (arba viršlaidumu). Jį 1911 m. atrado olandų fizikas Kamerling-Onesas¹⁾, tirdamas gyvsidabrio varžą žemose temperatūrose. Atšaldžius jį iki -269^oC, jo elektrinė varža sumažėjo iki neišmatuojamai mažo dydžio.

Superlaidininkais tampa daugelis metalų – aliuminis, niobis, švinas, cinkas, alavas... Aukščiausią kritinę temperatūrą turi retasis niobis (8^oK). Yra ir superlaidumu pasižyminčių lydinių – bismuto su nikeliu ar auksu, molibdeno ir volframo karbidai bei kt. Iš jų aukščiausią kritinę temperatūrą turi niobio lydinys su alavu (-255^oC).

Viršlaidininkai pasižymi ir kitomis unikaliomis savybėmis. Dar 1933 m. Meisneris²⁾ ir Ošenfeldas³⁾ nustatė, kad išorinis magnetinis laukas negali patekti į viršlaidininko vidų (Meisnerio efektas). Mat išorinis magnetinis laukas sukuria negęstančią elektros srovę viršlaidaus kūno paviršiuje, kurios magnetinis laukas yra priešingos krypties nei išorinio magnetinio lauko – tad sumarinis bendras magnetinis laukas viduje yra lygus nuliui. Taigi viršlaidininkai tarsi išstumia iš savęs magnetinio lauko linijas, t.y. elgiasi priešingai nei feromagnetikai, sutraukiantys tas linijas į save. Tad viršlaidininkai yra idealūs diamagnetikai.

Kas sukelia superlaidumą? Elektros srovė yra elektros krūvių nešėjų (metale - elektronų) kryptingas judėjimas pasipriešinimas kyla dėl to, kad elektronai negali laisvai judėti. Jie susiduria su nejudančiais atomais ir netenka savo energijos. Elektros srovės energija mažėja virsdama šiluma. Toks yra klasikinis varžos supratimas. Kuo mažesnė temperatūra, tuo mažiau chaotiškas elektronų judėjimas - tad mažinant temperatūrą mažėja ir varža. Tačiau tai nepaaiškina, kaip ji gali visai išnykti.

Nuo superlaidumo atradimo šis reiškinys liko nesuprantamas, kas gan reta vykstant sparčiam mokslo vystymuisi. 1957 m. amerikiečių fizikai Bardinas⁴⁾, Kuperis⁵⁾ ir Šriferis⁶⁾ sukūrė superlaidumo teorijos pagrindus; 1972 m. už tai jiems paskirta Nobelio premija. Toji teorija remiasi kvantine teorija. Prie superlaidumo aiškinimo prisidėjo ir tarybiniai fizikai: Bogoliubovas⁷⁾, Abrikosovas⁸⁾ ir kt. Buvo įrodyta, kad esant tam tikrom sąlygoms elektronai susijungia į poras (vadinamąsias Kuperio poras), galinčias netrukdomai judėti ir neprarasti energijos. Kiek kiekvienas elektronas tokioje poroje atiduoda energijos kliūčiai, t.y. kristalo atomui, tiek kitas elektronas gauna atgal. Todėl energijos nuostolio nėra, - ir elektronai, kaip visuma, juda lyg visai netrukdomi. Žemose temperatūrose, kai šiluminis judėjimas yra mažas, pasireiškia toli veikiančios jėgos ir visi elektronai juda vieningai kaip kolektyvas. Tačiau ir ši teorija be atsakymo palieka kai kuriuos klausimus. Superlaidumo teorija yra labai sudėtinga ir buvo vystoma daugelį metų.

Priklausomybė nuo formos

Kaip pasikeis niobio (iki 1949 m. vadinto ir kolumbiu) superplonos plėvelės laidumo savybės ją suvyniojus į mažesnio nei mikrono skersmens vamzdelį (palyg. žmogaus plauko skersmuo apie 100 mikronų). Tą klausimą panagrinėjo Drezdeno kieto kūno ir medžiagų fizikos inst-o bei Tomsko politechnikos un-to nanofizikai. Tokius vamzdelius sukurti išmokta tik neseniai. Niobis pasirinktas todėl, kad jo „plokščios formos“ superlaidumo savybės yra gerai ištirtos.

Vis tik tokius kokybiškus vamzdelius pagaminti vis tik sudėtinga, tad V. Fomino komanda sumodeliavo savybių kitimą specialioje kompiuterinėje platformoje. Skaičiavimai buvo atliekami Drezdeno technikos un-te super-kompiuteriu. Modeliavimas parodė, kad magnetiniame lauke tekant vamzdeliu elektros srovei atsiranda staigus įtampos šuolis („pikas“) tam tikrame magnetinio lauko reikšmių diapazone. Spėjama, kad jis kyla dėl vamzdelyje staigiai susidariusių „salelių“, kuriose prarandamos superlaidumo savybės.

Kai kurių sričių superlaidumo savybių praradimas yra žinomas efektas. Plokščiose struktūrose, kartą atsiradę, salelės teturi tik jų plėtimosi tendenciją - galiausiai užimant visą medžiagą. O štai vamzdeliuose didinant magnetinio lauko stiprumą tos „salelės“ dingsta ir visa medžiaga vėl atgauna superlaidumą. Tai nutinka todėl, kad išgaubtame paviršiuje defektų (sūkurių) susidarymas vyksta kiek kitaip.

Toliau planuojama eksperimentiškai patikrinti modeliavimo išvados.

Žemose temperatūrose yra dar vienas panašus reiškinys – supertakumas (virštakumas), kai skysčiai netenka klampumo ir skysčių srovė teka jais be vidinės trinties, nepatirdama pasipriešinimo. Jis pasireiškia skystame helyje nuo 0^o iki 2^oK. Supertakus skystis gali tekėti per bet kokio storio kapiliarus ir plyšius. Negalima atšaldyti ar sušildyti vienos supertakaus skysčio dalies, nes skystis iškart maišosi. Tokiuose skysčiuose vyksta įdomūs reiškiniai, pvz., bangų sklidimas. Supertakumą 1938 m. atrado P. Kapica, o jo teoriją sukūrė L. Landau.

Superlaidininkai galėtų būti plačiai pritaikomi, tačiau didžiausia kliūtis ta, kad jis pasireiškia tik labai žemose temperatūrose, kurioms esant dujos virsta skysčiais. Atšaldyti kūnus iki tokios temperatūros labai sunku. Tačiau superlaidumą galima gauti ir aukštesnėse temperatūrose – tam reikia padidinti slėgį. Tačiau gauti aukštus slėgius toks pat sunkus uždavinys kaip ir pasiekti žemą temperatūrą. Todėl stengiamasi rasti ar sukurti medžiagas, kurios būtų superlaidžios normalioje temperatūroje. Dabar aukščiausią kritinę temperatūrą turi keraminė medžiaga iš alavo, indžio, bario, tulio, vario ir deguonies (175^oK) – ir kelios kitos panašios.

Dabar iš superlaidininkų gaminami ypač stiprūs elektromagnetai, nes jais gali tekėti labai stipri elektros srovė. Jie naudojami magnetinio ir branduolinio magnetinio rezonansų įrenginiuose. Superlaidininkai yra panaudojami gaminant Džozefsono jungtis, kurios gali aptikti labai silpnus magnetinius laukus, netgi atskirus fotonus, kurie sukelia nedideles sroves grandinėse, į kurias įjungtos Džozefsono jungtys. Tokie įrenginiai vadinami SQUID – ir pritaikomi nuo medicinos iki astronomijos (o taip pat kvantiniuose kompiuteriuose). Džozefsono efektas leido sukurti tiksliausius elektros įtampos etalonus, kuriais nuo 1990-ųjų remiasi pasaulinis elektros įtampos standartas.

Dauguma praktinių superlaidininkų praktinių panaudojimų remiasi Džozefsono efektu, t.y. srovės pratekėjimu pro siaurus „vartus“. Vartais būna Džozefsono kontaktas – paprastai tai tunelinis barjeras tarp dviejų superlaidininkų, t.y., toks plonas dielektriko sluoksnis, kad elektronai gali tuneliuoti (pratekėti) pro jį (nes elektronas – kvantinė dalelė). Kadangi tokio prasisunkimo tikimybė maža, tad barjeras turi didelę varžą, kurios dydis atvirkščiai proporcingas barjero „skaidrumui“.

Atrodytų, kad superlaidžiai srovei reikalai dar blogesni, nes „sunktis“ tenka iškart dviem elektronams. Tad net Dž. Bardinas nustebo, kai jaunas aspirantas B. Džozefsonas⁹⁾ 1962 m. šiam atvejui išsprendė L. Gorkovo¹⁰⁾ neseniai išvestas lygtis ir teoriškai nuspėjo, kad dėl koreliacijos tarp susietų elektronų superlaidininke Kuperio porai barjero skaidrumas toks pat, kaip atskiram elektronui. Ir per tokį barjerą superlaidi srovė tekės be jokios varžos ir nuostolių, o jos stiprumas ir kryptis priklausys tik nuo laipsnio parametro f skirtumo abiejose barjero pusėse.
B. Džozefsonas netrukus (1973 m.) gavo Nobelio premiją (beje, tai retas atvejis, kai premija skiriama jaunam mokslininkui jo karjeros pradžioje), o vėliau savo efektu neužsiėmė.

Kadangi barjeras vis tik trukdo superlaidžios srovės tekėjimui, jos maksimalus dydis ribotas. Kuo plonesnis barjeras ir kuo didesnis Džozefsono kontakto plotas, tuo didesnė toji kritinė srovė, tačiau vis tik visada mažesnė, nei galėtų tekėti vientisu superlaidininku. O kas įvyks, jei per kontaktą leisim srovę, stipresnę už kritinę? Visą papildomą srovę turės pernešti ne superlaidus kondensatas, o įprastiniai elektronai, tad kontakte susidarys elektros įtampa, o fazių skirtumas tarp puslaidininkių ims svyruoti atvirkščiu įtampai dažniu: f=2eV/h
Tai nestacionarus Džozefsono efektas, 1965 m. eksperimentiškai aptiktas Charkovo Žemų temperatūrų fizikos-technikos inst-te.

Dėmesys kreiptas ir į dideles organines molekules. Spėjama, kad superlaidumas pasireiškia gyvų organizmų nervuose, nes signalų ir informacijos perdavimas nervais yra labai ekonomiškas. Gal gamta jau įsisavino superlaidumą?

¹⁾ Heikė Kamerlingas Onesas (Heike Kamerlingh Onnes, 1853-1926) – olandų fizikas ir chemikas, Nobelio premijos laureatas (1913). Pagrindinė mokslinių tyrimų sritis - medžiagų savybės esant labai žemai temperatūrai. 1908 m. pirmasis 0,9^oK temperatūroje suskystino helį. 1911 m. tirdamas grynųjų metalų (gyvsidabrio, alavo, švino, talio) elektrinę varžą labai žemoje temperatūroje atrado superlaidumą, o 1912 m. ir helio supertakumą. Įvedė entalpijos terminą. Jo garbei pavadintas krateris nematomoje Mėnulio pusėje.

²⁾ Fricas Valteris Meisneris (Fritz Walther Meissner, 1882-1974) – vokiečių fizikas, daugiausia dirbęs žemų temperatūrų srityje. 1933 m. kartu su R. Ošenfeldu stebėjo magnetinio lauko išstūmimo iš superlaidininkų reiškinį.

³⁾ Robertas Ošenfeldas (Robert Ochsenfeld, 1901-1993) – vokiečių fizikas. 1932-33 m. dirbo PTR Berlyne žemų temperatūrų grupėje, kuriai vadovavo F. Meisneris. Antrojo pasaulinio karo metais tyrinėjo naujų ginklų kūrimą.

⁴⁾ Džonas Bardinas (John Bardeen, 1908-1991) – amerikiečių fizikas ir elektroinžinierius, Nobelio premijos laureatas (1956, už tranzistoriaus sukūrimą, ir 1972). 1945 m. pradėjo dirbti „Bell Labs“, kur 1947 m. kartu su kitais sukūrė tranzistorių. Nuo 1951 m. beveik 40 m. profesoriavo Ilinojaus un-te. Jo darbai superlaidumo srityje panaudojami magnetinio rezonanso prietaise.

⁵⁾ Leonas Kuperis (Leon N. Cooper, g. 1930 m.) – amerikiečių fizikas, Nobelio premijos laureatas (1972). Pagrindiniai darbai iš kietojo kūno fizikos, superlaidumo, fizikos filosofijos. 1956 m. atrado elektronų porų susidarymą metaluose esant žemai temperatūrai (Kuperio efektas). 1957 m. su D. Bardinu ir D.R. Šryferiu sukūrė superlaidumo mikroskopinę teoriją, dar žinomą kaip BCS teorija. Parašė darbų apie optimizavimo, tiesinio programavimo metodus ir jų taikymą. 2016 m. pasirašė kreipimąsi dėl kovos prie GMO nutraukimo.

⁶⁾ Džonas Robertas Šriferis (John Robert Schrieffer, g. 1931 m.) – amerikiečių fizikas, Nobelio premijos laureatas (1972) už superlaidumo teoriją. 1964 m. išleido knygą „Superlaidumo teorija“. Taip pat užsiima medžiagų magnetinių savybių, lydinių savybių ir paviršiaus reiškinių tyrimais. 2005 m. buvo nuteistas 2 m. kalėjimui už netyčinę žmogžudystę padarius avariją.

⁷⁾ Nikolajus Bogoliubovas (1909-1992) – tarybinis matematikas ir fizikas-teoretikas, žinomas indėliu kvantinio lauko teoriją, klasikinę ir kvantinę statistinę mechaniką, dinaminių sistemų teoriją. Netiesinės mechanikos ir teorinės fizikos mokyklų įkūrėjas. Nors niekad nepriklausė KP, 1973 m. pasirašė laišką „Pravda” laikraščiui, smerkiantį A. Sacharovą. Jo garbei pavadintas asteroidas 22616.

⁸⁾ Aleksejus Abrikosovas (1928-2017) – rusų fizikas-teoretikas, Nobelio premijos laureatas (2003). Surado naują superlaidininkų II klasę. Taip pat užsiėmė vandenilio virsmu metaliniu dujinių planetų gelmėse, aukštųjų energijų kvantine elektrodinamika, superlaidumu ir jo ryšiu su magnetizmu, superlaidumu. Sugebėjo paaiškinti Naito poslinkį žemose temperatūrose. 1991 m. emigravo į JAV.

⁹⁾ Brajanas Džozefsonas (Brian David Josephson, g. 1940 m.) – Velso fizikas teoretikas ir eksperimentatorius, Nobelio premijos laureatas (1973). Superlaidumą tyrinėjo nuo 1962 m. Dar aspirantas, 22 m. amžiaus, teoriškai nuspėjo elektronų tekėjimą per ploną dielektriko sluoksnį tarp dviejų superlaidininkų (stacionarų Džefersono efektą), eksperimentiškai atrastą kitais metais. Tai vėliau leido patikslinti Planko konstantos reikšmę ir leido sukurti superjautrius magnetinio lauko daviklius (SQUID).
Nuo 8-o dešimtm. susidomėjo proto ir intelekto klausimais, užsiėmė misticizmu, transcendentine meditacija ir mentaline teorija, rėmė tyrimus parapsichologijos, šaltosios branduolinės sintezės ir homeopatijos srityse. Nuo 2007 m. vadovavo projektui apie materijos ir proto apjungimą kondensuotų terpių teorijos srityje.

¹⁰⁾ Levas Gorkovas (1929-2016) – rusų kilmės amerikiečių fizikas teoretikas, kondensuotos būsenos, o konkrečiu atveju superlaidumo, žinovas, dailininkas. Į JAV emigravo 1991-ais. 1958 m. sukūrė naują statistinį superlaidumo aprašyo metodą, paremtą vadinamomis Gorkovo lygtimis, o vėliau jo pagalba pavyko išvesti Ginszburgo-Landau lygtis ir atskleisti superlaidumo būsenos laipsnio parametro prigimtį. Taip pat užsiėmė hidrodinamika, puslaidininkių teorija, kvantine statistika.