Supravodivosť
Supravodivosť
V roku 1908 holandský fyzik Heik Kamerlingh Onnes, skúmajúci správanie kovov v extrémne nízkych teplotách, ako prvý skvapalnil plynné hélium. Význam tohto pokusu spočíval v tom, že hélium sa mení na kvapalinu len štyri stupne nad absolútnou nulou. To umožnilo Onnesovi následne pomocou hélia schladiť aj ortuť. Pri meraní elektrických vlastností takto schladenej ortuti zistil, že jej elektrický odpor náhle úplne zmizol. To bolo prekvapujúce, pretože dovtedy sa predpokladalo, že odpor sa síce s ochladzovaním znižuje, ale nikdy úplne nezmizne. Onnes tento jav pomenoval „supravodivosť“, avšak vysvetlený bol až v roku 1957 fyzikmi Bardeenom, Cooperom a Schriefferom, za čo neskôr dostali Nobelovu cenu.
Elektrický prúd a odpor
V kovoch nie sú elektróny z vonkajšej vrstvy atómov pevne viazané na jeden atóm, ale môžu sa voľne pohybovať medzi atómami (iónmi) po celom kove. Elektrický prúd je usporiadaný pohyb týchto elektrónov vo vodiči. Pri vyšších teplotách častice kovu vo vodiči kmitajú viac, a preto dochádza k častejším zrážkam medzi nimi a elektrónmi. Tento jav sa prejavuje ako odpor a predstavuje vlastnosť látky, ktorá bráni prechodu elektrického prúdu. Odpor spôsobuje aj to, že časť elektrickej energie sa mení na teplo.
Čo je to supravodivosť?
Pri extrémne nízkych teplotách sa tepelné kmitanie vo vodičoch zníži natoľko, že sa výraznejšie prejaví silové pôsobenie medzi kladne nabitými iónmi a záporne nabitými elektrónmi, a elektrón k sebe okolité ióny pritiahne. Toto v jeho okolí vytvorí kladný náboj, ktorý pritiahne aj iný elektrón. Takto spojený pár elektrónov sa nazýva Cooperov pár.
Veľké množstvo Cooperových párov sa spojí do jedného spoločného kvantového stavu, kolektívnej vlnovej funkcie pravdepodobnosti ich výskytu. Supervodivosť je teda jav, pri ktorom sa elektrický prúd šíri bez odporu vďaka spoločnému kvantovému stavu elektrónov. Elektróny v bežnom vodiči síce tiež opisujeme pomocou vlnových funkcií, no tieto sa pri zrážkach alebo nečistotami ľahko narušia, čo vedie k elektrickému odporu. Cooperove páry sú však vďaka svojej vzájomnej väzbe oveľa stabilnejšie, preto sa pri zrážkach nerozptyľujú a prúd môže tiecť bez odporu.
Spoločný kvantový stav Cooperových párov
V kvantovej mechanike rozdeľujeme častice podľa ich spinu na dve skupiny. Bosóny, teda častice s celočíselným spinom, a fermióny, ktorých spin má pol číselné hodnoty (1/2, 3/5, 5/2…). Elektróny sú fermióny so spinom plus alebo mínus 1/2. Všetky fermióny sa riadia tzv. Pauliho vylučovacím princípom, čo znamená že spolu nemôžu byť v jednom kvantovom stave. V Cooperových pároch sa však spiny elektrónov spoja na celočíselnú hodnotu a začnú sa správať ako bozón. Keďže bosóny na rozdiel od fermiónov nemajú obmedzenie Pauliho princípu, môžu sa „nahromadiť“ v rovnakom kvantovom stave. Vďaka tomu sa obrovské množstvo Cooperových párov usporiada do jedného spoločného kvantového stavu
Využitie supravodičov
Supravodiče dnes využívame v rôznych oblastiach. V medicíne umožňujú fungovanie magnetických rezonancií, pri časticových urýchľovačoch zabezpečujú stabilné a extrémne silné magnetické polia a v energetike sľubujú prenos elektriny bez strát. Ich potenciál sa zároveň skúma aj pri vývoji vysokorýchlostných vlakov v Japonsku a Číne, kde by vďaka nim mali vlaky nad traťou levitovať.
Supravodiče nachádzajú uplatnenie aj v oblasti kvantových technológií, predovšetkým v kvantovom počítaní. Tam fungujú pomocou malých nevodivých štruktúr, Josephsonových prechodov. Elektróny sa cez tieto prechody tunelujú, čo spôsobuje, že v systéme je možné izolovať dve energetické hladiny, ktoré predstavujú dva stavy qubitu (1 a 0). Takéto supravodivé qubity vo svojich kvantových počítačoch využívajú firmy ako Google, IBM alebo Intel.
Meissnerov efekt je jav, pri ktorom supravodič úplne vytlačí magnetické pole zo svojho vnútra. Znamená to, že vo vnútri supravodiča nemôže existovať žiadne magnetické pole, čo je rozdiel oproti bežným vodičom. Ak nad takýto materiál položíme magnet, vznikne odpudivá sila, ktorá ho udrží vznášajúci sa nad povrchom, teda levituje.
zdroj : Chat GPT
Fun fact zo zvieracej ríše
Hoci v prírode žiadny živý organizmus nevyužíva supravodivosť, v roku 2021 sa vedcom podarilo umiestniť Pomalku (vodného medvedíka, lat. Tardigrada) do blízkosti supravodivého qubitu schladeného na teplotu 10 milikelvinov. Tento mikroskopický tvor, známy svojou odolnosťou voči dehydratácii, vákuu aj extrémnym teplotám, prežil experiment v hlbokej hibernácii a stal sa súčasťou kvantového systému. Qubit s Pomalkou bol prepojený s ďalším qubitom a ukázalo sa, že jej prítomnosť mala vplyv na správanie celého systému. Je to prvýkrát, čo sa živý organizmus stal súčasťou kvantového experimentu so supravodivými obvodmi, aj keď vedci stále vedu spor o interpretáciu tohto javu.
zdroj : Wikipedie
Autor článku: Mário Ziman, Fyzikálny ústav SAV, v.v.i. v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov: QUTE.sk, Wikipédia public domain