Superlaidumas  

Absoliučiu nuliu (0oK) laikoma 273,15oC temperatūra  

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 -269oC, jo elektrinė varža sumažėjo iki neišmatuojamai mažo dydžio.

Superlaidininkais tampa daugelis metalų – aliuminis, švinas, cinkas, alavas... Aukščiausią kritinę temperatūrą turi retasis niobis ( 8oK). 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 (-255oC).

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. Superlaidumas ir magija

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.

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 0o iki 2oK. 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 (175oK) – 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.

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?

Taip pat skaitykite Superlaidumas aukštoje temperatūroje  


Trumpos biografijos

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 0,9oK 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.

Triukšmai
Robotų iškilimas
Garo tramdytojas
Greičiau už šviesą!
Manipuliacijos šviesa
Šaltoji branduolių sintezė
Antigravitacijos paieškos
Žygiuojam į Saulės amžių
Kitoks, sunkusis vandenilis
Pasikėsinimas į multivisatas
Galvaninės teorijos pradžia
8 alternatyvūs energijos šaltiniai
Lemtingasis Rentgeno atradimas
2018 m. atradimai fizikoje ir astronomijoje
Šiuolaikinė fizika – į tiesą panašus mitas?
El. dalelių simetrija persmelkia viską
Labai prasta balerina ir šuolis laike?
Amžinas judėjimas laiko kristaluose
Labai suderinta Visatos sandara
21 a. mokslo idėjos ir švietimas
Kur viešpatauja chaosas?
Vieningo lauko teorija
Metro etalonas
Kvantinis chaosas
Laivai iš ledo
Vartiklis