A szupravezetés titkai

Az elektromos áramról akkor beszélünk, amikor elektromos részecskék irányított mozgást végeznek. Az elektromos áram intenzitását az áramerősség jellemzi. Az áramerősség valójában azt fejezi ki, hogy egy vezető adott keresztmetszetén mennyi elektromos töltés halad keresztül másodpercenként. A vezető két vége közötti elektromos potenciálkülönbség, vagyis a feszültség és az áramerősség aránya a vezető ellenállását fejezi ki. Tehát
az elektromos ellenállás a feszültség és az áramerősség hányadosával értelmezett fizikai mennyiség. Az Ohm által felismert törvényszerűség lehetőséget ad arra, hogy az adott vezető elektromos árammal szemben mutatott ellenállását kvantitatív módon jellemezhessük. Egy fém anyagú vezető elektromos ellenállása a hőmérséklet esésével csökken. Általában a fémek ellenállása –273ºC, vagyis az abszolút nulla (0 kelvin) közelében nem csökken nullára, hanem fennáll az elektromos ellenállásnak egy alsó határa.

Heike Kamerlingh Onnes



















Heike Kamerlingh Onnes holland fizikus 1911-ben felfedezte, hogy a higany elektromos ellenállása 4,2 kelvinnél hirtelen megszűnik, és az áram veszteség nélkül folyik benne akár huzamosabb ideig is. A szupravezetés tehát azon fizikai jelenség, melynek során egyes ún. szupravezető anyagok nagyon alacsony hőmérsékleten (melyet kritikus hőmérsékletnek nevezünk) teljesen elvesztik elektromos ellenállásukat. Kiderült, hogy ilyen állapotban a szupravezető kitaszítja magából a mágneses teret. A jelenség felfedezője, Heike Kamerlingh Onnes 1913-ban Nobel-díjban részesült. Tudománytörténeti érdekesség, hogy a Magyar Tudományos Akadémia ebben az évben a Nobel-bizottság elé terjesztette Eötvös Loránd munkásságát is, a díjat azonban a holland fizikus kapta.
A későbbiek során a higany mellett még több más anyag esetében bizonyították be, hogy szupravezető tulajdonságokkal rendelkeznek. Viszont a várakozással ellentétben a hagyományosan jó elektromos vezetésű nemesfémekben (ezüst, arany) szupravezetés nem jön létre. Általában ferromágneses anyagokban (például vas, kobalt) sem jön létre szupravezetés.
Ma már tudjuk, hogy a szupravezetés az anyagok széles skálájánál előfordul: kémiai elemeknél, mint például az ón vagy az alumínium, fémötvözeteknél (pl. nióbium-titán ötvözet), néhány erősen szennyezett félvezetőnél és a réz-oxid-perovskit kerámiaanyagoknál. Az utóbbiak az úgynevezett magas hőmérsékletű szupravezetők. Ezek kritikus hőmérséklete jóval az abszolút nulla felett van.
A szupravezetésre a klasszikus fizika eredményei alapján nem lehet magyarázatot adni. Bizonyos kvantumjelenségek játszanak itt szerepet. A jelenség értelmezését J. Bardeen, L. N. Cooper és I. R. Schrieffer adta meg 1957-ben. A nevük kezdőbetűiből összeállított BCS-elmélet 1972-ben Nobel-díjat hozott a számukra. A BCS-elmélet szerint nagyon alacsony hőmérsékleten az elektronok viszonylag erősen kötött párokba rendeződnek. Ezek az ún. Cooper-párok lényegében ütközés nélkül képesek mozogni a kristályrácsban. A párokat a kristály anyagának kvantált rezgései, az ún. fononok tartják egyben.

John Bardeen























Leon Cooper





















Robert Schrieffer





















J. Georg Bednorz német és Karl Alexander Müller amerikai fizikus 1986 szeptemberében szenzációs hírt jelentett be: lantán-bárium-réz-oxid kerámia-anyaguk 35 kelvinen (-238ºC) szupravezetőként viselkedik. Ez a korábbi felfedezésekhez képest jóval magasabb hőmérsékletet jelentett. A következő évben Bednorz és Müller fizikai Nobel-díjat kapott.

Georg Bednorz

















Karl Alexander Müller
















A magas hőmérsékletű szupravezetők kutatása újabb lendületet vett. Az yttrium-bárium-réz-oxid kerámiával 93 kelvinre javították a csúcsot. A 138 kelvines szupravezető anyag a talliummal adagolt higany-bárium-kalcium-réz-oxid, és 1993-ban állították elő először, azután nem történt lényeges előrelépés. Ennek talán az lehetett az oka, hogy nem sikerült még megérteni a magas hőmérsékletű szupravezetés jelenségét. Fontos előrelépést jelentett ezután három fizikus eredménye. A 2003-as évi fizikai Nobel-díjat a szupravezetés és a szuperfolyékonyság elméleti alapjainak kidolgozásáért Alekszej A. Abrikosov (Oroszország, illetve USA), Vitalij L. Ginzburg (Oroszország) és Anthony J. Leggett (Egyesült Királyság, illetve USA) kapta.

Alekszej A. Abrikosov










Vitalij L. Ginzburg













Anthony J. Leggett














A mai szupravezetők aránylag könnyebben alkalmazhatók a gyakorlatban, hiszen üzemi hőmérsékletük, vagyis hűtésük folyékony hélium helyett folyékony nitrogénnel oldható meg. Így több kereskedelmi célú alkalmazási terület is elérhetővé vált. Olyan szupravezető kábelek tömeggyártása folyik ma már, melyek sokkal hatékonyabban vezetik az elektromosságot, mint a rézvezeték. A szupravezető anyagokból készített vékony filmrétegek elektromos, mágneses és optikai érzékelőként alkalmazhatók. A mágnesesen lebegő vonatok széleskörű alkalmazása, a szupergyors szupravezető számítógépek elterjedése és az elektromos áram veszteség nélküli továbbítása újabb reményekkel kecsegtet. Viszont a magas hőmérsékletű szupravezető huzalok üzemeltetési költségeik miatt ma még 3-5-ször drágábbak, mint a rézből készülő megfelelőjük.
A kutatások ma többek között arra irányulnak, hogy a kritikus hőmérsékletet tovább emeljék, és szobahőmérsékletű szupravezetőket állítsanak elő.