Supravodivost

Řada fyziků spekulovala o tom, jak se bude chovat vodič ochlazený na teplotu blízkou absolutní nule (-273,15 °C). Zda se vodivost materiálu zlepší nebo zda elektrony zamrznou. Krůček k řešení přišel 10. června 1908, kdy holandský fyzik Heike Kamerlingh–Onnes v Leidenu zkapalnil helium, jehož teplota varu je 4,2 K. Od roku 1911 při experimentech s kapalným heliem zjistil, že odpor rtuti ochlazené pod kritickou teplotu 4,15 K klesá náhle na neměřitelně malou hodnotu. U olova nastává supravodivý stav už při poklesu teploty pod 7,2 K, u cínu při 3,78 K, u thalia při 2,3 K. Ostatní prvky a jejich kritické teploty jsou uvedeny v následující tabulce.

Ze 103 stabilních prvků bylo prokázáno, že 55 je supravodivých, i když některé při vysokém tlaku. V úvodním sporu měli pravdu oba tábory. Elektrony na nízkou teplotu nereagují, ale ionty a molekuly ano. Při nízkých teplotách ustává jejich kmitavý pohyb a elektrony se tak mohou pohybovat vodičem bez odporu. U mědi, železa a stříbra se supravodivost nezjistila. Ale např. rtuť velmi znečištěná zlatem a kadmiem supravodivá je. Supravodivost je omezena pro každý kov určitou hodnotou protékajícího elektrického proudu. Při velkých hodnotách elektrického proudu se vodič natolik zahřívá, že přestává být supravodivým. Elektrický proud vyvolaný v prstenci ze supravodiče by se udržel bez pozorovatelného útlumu po dobu několika let.

Heike Kamerlingh-Onnes.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Supravodiče objevené v Leidenu patří mezi supravodiče I. typu. Tato vlastnost se vyskytuje u kovů (rtuť, měď, cín, olov, atd.). Jejich kritická teplota nepřesahuje 23 K. Supravodivost I. typu vysvětluje BCS teorie z roku 1957 pojmenovaná podle objevitelů Johna Bardeena, Leona Coopera a Roberta Schieffera. Teorie vysvětluje supravodivost jako zvláštní chování elektronů pospojovaných do dvojit, tzv. Cooperových párů. Interakce elektronů s krystalovou mřížkou probíhá prostřednictvím vibrací, které elektrony svážou do párů. Pokud kov ochladíme na velmi nízkou teplotu, bude krystalová mřížka dostatečně tuhá. Procházející elektron nepatrně přitáhuje kladná centra mřížky, takže za ním vznikne vlna kladnějšího náboje. Další elektron, který se v okolí pohybuje, může být do této oblasti přitažen a vytvoří dvojici vázaných elektronů. Durhý elektron pak sleduje dráhu prvního. Postupně se spárují všechny elektrony a synchronně proplouvají krystalovou mřížkou. Elektronová dvojice se již nechová jako fermion (každá částice má jinou energii a kvantová čísla – splňují Pauliho vylučovací princip), ale jako boson. Bosony můžou sdílet stejný energetický stav. Páry elektronů mají proto nižší celkovou energii než elektrony. Pokud je rozdíl energií vyšší než tepelná energie mřížky, dojde k ustálenému toku elektronových párů svázaných s vibracemi mřížky. Elektronové páry se už nesráží s krystalovou mřížkou. Za vyšších teplot se Cooperovy elektronové páry rozpadají a jejich bosonové vlastnosti mizí. BCS teorii potvrdil Ivar Giaever, který navrhl a zrealizoval experiment potvrzující existenci Cooperových párů. V roce 1957 Matthias dokázal, že jsou supravodivé jen ty kovy, které mají počet valenčních elektronů od 2 do 8.

V roce 1986 publikovali Alex Müller a Georg Bednorz práci s nesmělým názvem Možná vysokoteplotní supravodivost v La-Ba-Cu-O. Kritická teplota této sloučeniny byla 30 K, tedy daleko vyšší než u dosud objevených supravodičů. Řadu laboratoří zachvátila vysokoteplotní horečka, která vyvrcholila v roce 1994 objevem slitiny HgBa₂Ca₂Cu₃O₈, jejíž kritická teploty při vysokém tlaku byla 165 K a při atmosférickém tlaku 135 K. Díky tomuto objevu se otevřelo pole praktického použití supravodivosti, protože místo drahého kapalného helia (vře při 4,2 K) se může použít kapalný dusík (vře při 77 K). Vysokoteplotní supravodiče se označují jako supravodiče II. typu. Jejich kritická teplota se pohybuje v rozmezí od 35 K do 136 K. Keramické materiály jsou bohužel velice křehké a technologie umožňující jejich zpracování (např. do cívek) se nachází teprve v testovací fázi.

Vlastnosti supravodičů II. typu závisí značně na jejich krystalové struktuře. Defekty krystalové mřížky (dislokace nebo malé oblasti nesupravodivé hmoty) ovlivňují rozložení energeticky výhodných a nevýhodných poloh pronikajících vírových vláken v objemu supravodiče. Pokud je krystalová mřížka ideální – bez defektů – mohou se vírová vlákna materiálem volně pohybovat. Takovéto supravodiče II. typu se nazývají homogenní nebo ideální. Supravodiče, jejichž krystalová struktura obsahuje větší množství defektů, (nebo je jimi cíleně přesycena) se nazývají nehomogenní nebo také „tvrdé“ a jsou vhodné pro mechanické aplikace. Jejich magnetování má hysterezní nevratný charakter, při snížení intenzity vnějšího magnetického pole na nulu zůstává určitý počet vírových vláken „vázán“ v materiálu na defektech mřížky.

V roce 1933 Walther Meissner a Robert Ochsenfeld zjistili, že supravodivost je opačným jevem k magnetismu. Supravodič vytlačuje magnetické pole ze svého nitra. Supravodiče jsou tedy ideálně diamagnetické. Tento jev se nazývá Meissnerův (někdy Meissner-Ochsenfeldův). Dojde–li tedy k vychlazení supravodiče ve vnějším magnetickém poli, „vypudí“ supravodič toto pole ze svého objemu i bez vzniku stínících proudů. V praxi to znamená, že když položíme na keramický materiál malý magnetek a materiál vychladíme pod jeho kritickou teplotu, magnet se vznese a levituje nad supravodičem.

Nehomogenní supravodiče vykazují mnohem větší levitační sílu. Tato síla není založena pouze na Meissnerově jevu. Díky existenci defektů mřížky a potažmo také energeticky výhodných a nevýhodných poloh vírových vláken mohou mezi magnetem a supravodičem působit síly odpudivé i přitažlivé. K tomuto pozoruhodnému jevu dochází, je–li nehomogenní supravodič vychlazen v blízkosti silného permanentního magnetu. Tyto síly brání změně vzájemné polohy magnetu a supravodiče.

Keramické materiály jako YBaCuO (tedy supravodiče II. typu) vykazují Meissnerův jev pouze při malých intenzitách vnějšího magnetického pole, překročí–li intenzita kritickou hodnotu, proniká elektromagnetická indukce do supravodiče ve formě tzv. vírových vláken, v supravodiči vznikají oblasti nesupravodivé látky. Počet těchto „vláken“ při zvětšování intenzity magnetického pole roste, až při dosažení určité intenzity přechází celý objem supravodiče do normálního stavu.