Fizikai Nobel-díj és háttér – mi a szösz a szupravezető?

A tízmillió svéd koronával (mintegy 280 millió forint) járó idei fizikai Nobel-díjon az Egyesült Államokban élő, orosz születésű Alekszej Abrikoszov, az orosz Vitalij Ginzburg és a brit-amerikai állampolgár Anthony Leggett osztozik. A három tudós kvantumfizika terén kifejtett munkássága főként a szupravezetésre összpontosult. A Nobel-bizottság történetében nem ez az első alkalom, hogy szupravezetésért ítéli oda a díjat

A 75 éves Abrikoszov az Illinois állambeli Argonne laboratóriumában dolgozik, a 87 éves Ginzburg a moszkvai Lebegyev Fizikai Intézet tudományos csoportjának volt egykor a vezetője, míg a 65 éves Leggett az Illinois Egyetem professzora Urbana-Champaign városában.

Fémek alacsony hőmérsékleten

A szupravezetés a rendkívül alacsony hőmérsékletre lehűtött fémek tulajdonsága: ilyenkor a fémben az ellenállás nemcsak nagyon kicsi, gyakorlatilag nulla. A szupravezetők zérus ellenállása már az 1900-as évek elején rendkívül megörvendeztette a fizikusokat, nem sok fantázia kellett ugyanis a veszteség nélkül óriási áramokat szállító távvezetékek elképzeléséhez. Hagyományos vezetékeken az ellenállás tetemes veszteséget okoz.

Ám a szupravezetők felfedezése után hamar kiderült, hogy a szupravezető-állapot nem túlságosan erős mágneses térrel meg is szüntethető. Ez pedig azt jelentette, hogy a szupravezetőben nem folyhat erős áram, hiszen az áram is létrehoz maga körül mágneses teret, ami viszont megszünti a szupravezető-állapotot.

A kutatás következő lépcsőfoka az volt, amikor az 1930-as években két berlini fizikus Meissner és Oschenfeld rájött, hogy a szupravezető belsejében nem csak az ellenállás, hanem a mágneses tér is zérus. Sőt az ötvenes évekre nyilvánvalóvá vált az is, hogy a fém normál és a szupravezető állapota közötti energiakülönbség éppen a mágnese tér kiszorításával mérhető. De hogy pontosan mi is történik a fázisátalakulás során, annak leírása még váratott magára egy darabig.

Az első Nobel díj szupravezetésért

Az ötvenes évek közepén a fizikusok már sejtették, hogy a szupravezetésnek mindenképpen köze van a fém kristályrácsához. Kísérletek igazolták, hogy a szupravezetéshez szükséges kritikus alacsony hőmérséklet függ a kristályrácsban lévő atomok tömegétől, azaz ugyanazon elem izotópjainak más és más a kritikus hőmérséklete.

Végül 1957-ben született meg Bardeen, Cooper és Schrieffer (BCS) elmélete, amely a szupravezetők minden alapvető tulajdonságára választ adott (részletesen >>), és még Nobel-díjjal is jutalmazták őket. Ám a szupravezető távvezetékek építéséhez még mindig nem volt elegendő tudás…

Vitalij Ginzburg

Szupravezetés nem csak tiszta fémben

A szupravezetők kutatásának következő nagy szakasza az volt, amikor a tudósokat fokozottan kezdte el az a probléma foglalkoztatni, hogy hogyan fordulhat elő, hogy az ötvözetek és a szennyezett fémek szupravezető viselkedése eltér a szokásostól. Bizonyos esetekben például előfordul, hogy a mágneses tér nem szorul ki teljesen az anyagból.

Alekszej Abrikoszov

Korábban is tapasztalták, hogy a szupravezető alakjától függően normális és szupravezető tulajdonságot mutató rétegek alakulnak ki bennük. Ezt figyelte meg a most Nobel díjjal jutalmazott két orosz, Ginzburg és Abrikoszov is az általuk vizsgált szennyezett fémeknél illetve ötvözeteknél is. A két tudós kutatásai nagyban hozzájárultak annak megállapításához, hogy a mágneses tér nem feltétlenül akadálya a szupravezetésnek.

A második Nobel-díj

Az ipari alkalmazást azonban még visszavetette, hogy a szupravezetés rendkívül alacsony hőmérséklethez volt kötve. A szupravezetés felfedezésének 75. évfordulóján, 1986-ban két svájci tudós – Bednorz és Müller – bejelentették, hogy egy rejtélyes anyagon már 30-35 kelvin környékén tapasztaltak szupravezetést. Ezután kutatások hada indult, és egyre magasabb hőmérsékeleten tapasztalták a különleges állapotot, ma már 130-140 kelvinnél tartunk.

Mire jók a szupravezetők?

A szupravezetők három leggyakoribb felhasználása a következő: