Supravodivost

Rozbalit box

Obsah boxu

Supravodivost je soubor fyzikálních vlastností, které se projevují v určitých materiálech při velmi nízkých teplotách. Charakteristickými znaky supravodivého stavu jsou především nulový elektrický odpor a vypuzení magnetického pole z vnitřku materiálu, známé jako Meissnerův-Ochsenfeldův jev. Materiály, které mohou přejít do supravodivého stavu, se nazývají supravodiče.

Přechod do supravodivého stavu nastává skokově při ochlazení materiálu pod jeho kritickou teplotu (T_c). Tento jev je kvantově mechanické povahy a nelze jej vysvětlit pomocí klasické fyziky. Supravodivost byla poprvé pozorována v roce 1911 nizozemským fyzikem Heikem Kamerlinghem Onnesem při studiu vlastností pevné rtuti chlazené kapalným héliem.

Supravodiče se dělí na dvě hlavní kategorie: supravodiče I. a II. typu. Později byly objeveny také tzv. vysokoteplotní supravodiče, jejichž kritická teplota je výrazně vyšší a umožňuje chlazení levnějším kapalným dusíkem namísto drahého kapalného hélia. Hledání supravodiče, který by fungoval při pokojové teplotě, je jedním z největších cílů moderní fyziky kondenzovaného stavu.

📜 Historie

Historie supravodivosti je příběhem experimentálních objevů, teoretických průlomů a neustálé snahy o dosažení vyšších kritických teplot.

🧊 Objev a raný výzkum

Na počátku 20. století se fyzikové snažili pochopit chování materiálů při teplotách blížících se absolutní nule. Klíčovou postavou byl nizozemský fyzik Heike Kamerlingh Onnes z Leidenské univerzity, kterému se v roce 1908 jako prvnímu podařilo zkapalnit helium. To mu otevřelo cestu k experimentům při teplotách jen několik kelvinů nad absolutní nulou.

Onnes se zaměřil na měření elektrického odporu kovů při těchto extrémních podmínkách. Podle tehdejších teorií se očekávalo, že odpor bude s klesající teplotou postupně klesat až k nějaké zbytkové hodnotě, nebo naopak prudce vzroste. Dne 8. dubna 1911 Onnes a jeho tým měřili odpor vzorku velmi čisté rtuti. K jejich překvapení při teplotě přibližně 4,2 K (−268,95 °C) elektrický odpor náhle a úplně zmizel. Onnes tento nový stav hmoty nazval supravodivostí. Za svůj výzkum v oblasti nízkoteplotní fyziky, který vedl k výrobě kapalného hélia, obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku.

V následujících letech byla supravodivost objevena u dalších prvků, jako je olovo (T_c = 7,2 K) a niob (T_c = 9,3 K). Dlouhou dobu se věřilo, že dobré vodiče za normální teploty (jako zlato, stříbro a měď) nemohou být supravodiči, což se později ukázalo jako nesprávné (měď se stává supravodivou pod extrémním tlakem).

📖 Teoretické modely

Navzdory experimentálním úspěchům zůstávala teoretická podstata supravodivosti po desetiletí záhadou.

Londonova rovnice (1935): Bratři Fritz a Heinz Londonovi navrhli první fenomenologický popis supravodivosti. Jejich rovnice úspěšně popsaly nulový odpor a Meissnerův-Ochsenfeldův jev, ale nevysvětlily mikroskopický původ jevu.
Ginzburg-Landauova teorie (1950): Vitalij Ginzburg a Lev Landau rozšířili Londonovu teorii. Zavedli koncept komplexního parametru uspořádání, který popisuje hustotu supravodivých elektronů. Jejich teorie dokázala popsat chování supravodičů v magnetickém poli a předpověděla existenci dvou typů supravodičů.
BCS teorie (1957): Skutečný průlom přišel až v roce 1957, kdy John Bardeen, Leon Cooper a John Robert Schrieffer představili kompletní mikroskopickou teorii supravodivosti, dnes známou jako BCS teorie. Podle této teorie elektrony v supravodiči vytvářejí vázané páry, tzv. Cooperovy páry. Tyto páry vznikají interakcí s krystalovou mřížkou (výměnou fononů) a chovají se jako bosony. Jako takové mohou všechny kondenzovat do stejného základního kvantového stavu, kde se pohybují kolektivně a bez rozptylu, což vede k nulovému odporu. Za tuto teorii obdrželi její autoři v roce 1972 Nobelovu cenu za fyziku.

🔥 Objev vysokoteplotních supravodičů

BCS teorie předpovídala, že supravodivost je omezena na teploty pod přibližně 30–40 K. Tento limit se zdál být potvrzen experimenty po mnoho let. V roce 1986 však Georg Bednorz a Alex Müller, pracující v laboratořích IBM v Curychu, učinili revoluční objev. Zjistili, že keramický materiál na bázi oxidů lanthanu, baria a mědi (La-Ba-Cu-O) vykazuje supravodivost při teplotě kolem 35 K.

Tento objev, za který získali Nobelovu cenu již v roce 1987, odstartoval lavinu výzkumu po celém světě. Brzy byly objeveny materiály s ještě vyššími kritickými teplotami, zejména sloučeniny na bázi yttria, baria a mědi (YBCO), které měly T_c okolo 92 K. To bylo klíčové, protože tato teplota je vyšší než bod varu kapalného dusíku (77 K), což je výrazně levnější a dostupnější chladivo než kapalné hélium. Tyto materiály se začaly označovat jako vysokoteplotní supravodiče. Rekordní kritická teplota (při atmosférickém tlaku) je v současnosti držena sloučeninou na bázi rtuti, baria, vápníku a mědi (HgBa₂Ca₂Cu₃O₈) s T_c přibližně 133 K.

Mechanismus supravodivosti v těchto materiálech (tzv. kuprátech) stále není plně vysvětlen a je zřejmé, že jednoduchá BCS teorie zde neplatí.

⚙️ Fyzikální principy

Supravodivost je definována několika klíčovými vlastnostmi, které ji odlišují od normálního vodivého stavu.

⚡ Nulový elektrický odpor

Hlavním a nejznámějším rysem supravodiče je absence měřitelného elektrického odporu. Pokud je v supravodivém prstenci indukován elektrický proud, bude v něm protékat prakticky neomezeně dlouho bez jakéhokoli zdroje napětí a bez ztráty energie. Experimenty prokázaly, že takové "perzistentní proudy" mohou v supravodivých cívkách přetrvávat po mnoho let bez detekovatelného úbytku. Tento jev je přímým důsledkem kolektivního, koherentního pohybu Cooperových párů, které se nerozptylují na nečistotách ani na tepelných vibracích krystalové mřížky.

🧲 Meissnerův-Ochsenfeldův jev

Druhou definující vlastností je Meissnerův-Ochsenfeldův jev, objevený v roce 1933. Tento jev popisuje aktivní vypuzení magnetického pole z vnitřku supravodiče, když je ochlazen pod svou kritickou teplotu. Nejde jen o to, že magnetické pole nemůže do supravodiče proniknout (to by platilo i pro ideální vodič). Supravodič aktivně vytlačí i pole, které v něm bylo přítomno před přechodem do supravodivého stavu.

Na povrchu supravodiče se indukují stínící proudy, které generují magnetické pole přesně opačné k vnějšímu poli, čímž ho uvnitř materiálu dokonale vyruší. Tento jev je zodpovědný za slavné demonstrace magnetické levitace, kdy magnet plave nad povrchem ochlazeného supravodiče. Meissnerův jev dokazuje, že supravodivost je skutečný termodynamický stav, nikoli jen limitní případ dokonalé vodivosti.

🌡️ Kritické parametry

Supravodivý stav existuje pouze za určitých podmínek. Překročení kterékoli z následujících kritických hodnot vede ke zničení supravodivosti a návratu materiálu do normálního (odporového) stavu.

Kritická teplota (T_c): Maximální teplota, při které materiál zůstává supravodivý. Nad touto teplotou se chová jako normální vodič nebo izolant.
Kritické magnetické pole (H_c): Maximální intenzita vnějšího magnetického pole, které supravodič snese. Při překročení této hodnoty pole pronikne do materiálu a supravodivost zanikne.
Kritická proudová hustota (J_c): Maximální hustota elektrického proudu, který může supravodičem protékat. Proud sám o sobě generuje magnetické pole, a pokud je příliš silný, toto pole může zničit supravodivý stav.

Tyto tři parametry jsou vzájemně provázané a definují "supravodivou oblast" v trojrozměrném fázovém diagramu (T-H-J).

📚 Klasifikace supravodičů

Supravodiče se dělí podle několika kritérií, nejčastěji podle jejich chování v magnetickém poli nebo podle mechanismu, který vede k jejich supravodivosti.

I. a II. typ

Tato klasifikace vychází z Ginzburg-Landauovy teorie a popisuje, jak supravodič reaguje na vnější magnetické pole.

Supravodiče I. typu:

Jsou to většinou čisté kovy, jako je hliník, olovo nebo rtuť. Vykazují dokonalý Meissnerův jev až do dosažení kritického pole H_c. Při překročení této hodnoty supravodivost skokově zaniká v celém objemu materiálu. Mají obvykle nízké hodnoty kritických polí, což omezuje jejich praktické využití v silných magnetech.

Supravodiče II. typu:

Do této skupiny patří většina slitin (např. NbTi, Nb₃Sn) a všechny vysokoteplotní supravodiče. Mají dvě kritické hodnoty magnetického pole: H_c1 a H_c2.

- Pro pole H < H_c1 se chovají jako supravodiče I. typu a zcela vypuzují magnetické pole.
- Pro pole H_c1 < H < H_c2 přecházejí do tzv. smíšeného stavu (nebo vírového stavu). Magnetické pole začne pronikat do materiálu ve formě kvantovaných vírů (fluxonů), přičemž zbytek materiálu zůstává supravodivý.
- Pro pole H > H_c2 supravodivost zcela zaniká.

Hodnota H_c2 může být mnohonásobně vyšší než H_c u supravodičů I. typu, což je činí ideálními pro konstrukci silných supravodivých magnetů.

Podle materiálu a teorie

Konvenční supravodiče: Jejich chování je dobře popsáno BCS teorií, kde párování elektronů zprostředkovávají fonony (vibrace krystalové mřížky). Patří sem většina nízkoteplotních supravodičů.
Nekonvenční supravodiče: Zahrnují vysokoteplotní supravodiče (kupráty, pniktidy na bázi železa) a další exotické materiály. Párovací mechanismus zde není plně objasněn a pravděpodobně se liší od BCS teorie. Uvažuje se například o interakcích prostřednictvím magnetických fluktuací (spinových vln).

💡 Aplikace a využití

Ačkoliv je nutnost chlazení na nízké teploty velkou překážkou, supravodivost již našla uplatnění v mnoha špičkových technologiích.

🔬 Věda a výzkum

Supravodivé magnety: Jsou klíčovou součástí urychlovačů částic, jako je Large Hadron Collider (LHC) v CERNu. Umožňují generovat extrémně silná a stabilní magnetická pole potřebná k vedení a ohýbání svazků částic letících téměř rychlostí světla.
Zobrazování magnetickou rezonancí (MRI): V medicíně se supravodivé magnety používají v přístrojích pro MRI. Silné pole vytvořené magnetem umožňuje získat detailní obrazy měkkých tkání v lidském těle.
Nukleární magnetická rezonance (NMR): V chemii a biologii se spektrometry NMR, rovněž využívající supravodivé magnety, používají k analýze struktury molekul.

🚆 Doprava

Vlaky na magnetické levitaci (Maglev): Supravodivé magnety umístěné na vlaku a v kolejišti umožňují vlaku levitovat a pohybovat se bez tření s kolejemi. To umožňuje dosahovat velmi vysokých rychlostí. Příkladem je vlak SCMaglev v Japonsku, který dosáhl rychlosti přes 600 km/h.

⚡ Energetika

Bezztrátový přenos energie: Supravodivé kabely by teoreticky mohly přenášet elektrickou energii na velké vzdálenosti bez ztrát, které v současných sítích dosahují několika procent. Pilotní projekty již existují, ale vysoké náklady na chlazení brání masovému nasazení.
Ukládání energie (SMES): Systémy SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) ukládají energii v magnetickém poli generovaném proudem tekoucím v supravodivé cívce. Mohou dodávat velké množství energie ve velmi krátkém čase, což je užitečné pro stabilizaci elektrických sítí.

💻 Elektronika

SQUID (Superconducting Quantum Interference Device): Jsou to nejcitlivější známé detektory magnetického pole. Využívají se v medicíně (např. magnetoencefalografie pro snímání mozkové aktivity) a v geofyzice.
Kvantové počítače: Supravodivé obvody jsou jednou z předních platforem pro realizaci qubitů, základních stavebních kamenů kvantových počítačů.

🤔 Pro laiky

Co je to supravodivost?

Představte si elektrický proud jako vodu tekoucí hadicí. V normálním drátu (hadici) dochází ke tření – voda (proud) naráží do stěn a ztrácí energii, která se mění v teplo. Proto se dráty zahřívají. Supravodič je jako dokonale hladká hadice bez jakéhokoli tření. Jakmile do ní jednou pustíte proud, bude v ní obíhat navždy, aniž by se ztratil jediný kousek energie.

Proč to musí být tak studené?

Tento "dokonale hladký" stav nastává jen při extrémně nízkých teplotách, často blízkých absolutní nule (−273,15 °C). Při normálních teplotách se atomy v drátu neustále třesou a elektrony do nich narážejí, což způsobuje odpor. Chlazením tento třes utlumíme natolik, že se elektrony mohou spojit do párů a pohybovat se materiálem bez překážek. Udržet něco tak studené je technicky náročné a drahé.

Co je to ta magnetická levitace?

Supravodiče nemají rády magnetická pole. Když se materiál stane supravodivým, aktivně ze sebe vypudí veškeré magnetické pole. Je to, jako by se stal na magnetismus "alergickým". Pokud nad takový supravodič položíte magnet, supravodič vytvoří na svém povrchu proudy, které magnet odpuzují tak silně, že se začne vznášet ve vzduchu. Tomuto jevu se říká Meissnerův-Ochsenfeldův jev a je to jeden z nejviditelnějších projevů supravodivosti.

🔮 Budoucnost a výzvy

Svatým grálem výzkumu supravodivosti je objev materiálu, který by byl supravodivý při pokojové teplotě a normálním tlaku. Takový objev by způsobil technologickou revoluci srovnatelnou s vynálezem tranzistoru nebo internetu.

Energetika: Bezztrátové elektrické sítě, levné a účinné ukládání energie.
Doprava: Všudypřítomné a levné maglev vlaky, efektivnější elektromotory.
Elektronika: Superrychlé počítače s minimální spotřebou energie.
Medicína: Kompaktní a levné přístroje MRI.

Hlavními výzvami zůstávají: 1. Zvýšení kritické teploty: Nalezení materiálů s T_c blízkou pokojové teplotě. 2. Mechanické vlastnosti: Mnoho vysokoteplotních supravodičů jsou křehké keramiky, což komplikuje výrobu drátů a kabelů. 3. Teoretické pochopení: Bez plného pochopení mechanismu vysokoteplotní supravodivosti je hledání nových materiálů spíše metodou pokusu a omylu. 4. Náklady: Výroba a chlazení supravodivých systémů je stále velmi nákladná.

Navzdory těmto překážkám je supravodivost jedním z nejaktivnějších a nejslibnějších oborů moderní fyziky.

Šablona:Aktualizováno