Supravodivost kovů, objev Heike Kamerling-Onnes

První, kdo narazil na fenomén supravodivosti Heike Kamerling Onnes — Holandský fyzik a chemik. Rok objevení jevu byl 1911. A už v roce 1913 dostane vědec za svůj výzkum Nobelovu cenu za fyziku.

Při studiu elektrického odporu rtuti při ultranízkých teplotách chtěl určit, na jakou úroveň by mohl klesnout odpor látky vůči elektrickému proudu, pokud by byla očištěna od nečistot, a co nejvíce snížit to, co lze volal. » tepelný šum «, tedy ke snížení teploty těchto látek. Výsledky byly nečekané a ohromující. Při teplotách pod 4,15 K odpor rtuti náhle zcela zmizel!

Níže je graf toho, co Onnes pozoroval.

V té době už věda věděla alespoň tolik proud v kovech je tok elektronů, které jsou odděleny od svých atomů a stejně jako nabitý plyn jsou unášeny elektrickým polem.Je to jako vítr, když se vzduch pohybuje z oblasti vysokého tlaku do oblasti nízkého tlaku. Teprve nyní jsou v případě proudu místo vzduchu volné elektrony a potenciálový rozdíl mezi konci drátu je analogický s rozdílem tlaků pro vzduchový příklad.

V dielektrikách je to nemožné, protože elektrony jsou pevně vázány na své atomy a je velmi obtížné je z jejich míst vytrhnout. A přestože se v kovech elektrony tvořící proud pohybují relativně volně, občas narazí na překážky v podobě vibrujících atomů a dochází k jakémusi tření tzv. elektrický odpor.

Ale když při ultranízké teplotě se to začne projevovat supravodivost, třecí efekt z nějakého důvodu zmizí, odpor vodiče klesne na nulu, což znamená, že se elektrony pohybují zcela volně, bez překážek. Ale jak je to možné?

Aby našli odpověď na tuto otázku, fyzici strávili desetiletí výzkumem. A i dnes se obyčejným drátům říká „normální“ dráty, přitom vodiče ve stavu nulového odporu se nazývají "supravodiče".

Je třeba poznamenat, že ačkoli běžné vodiče snižují svůj odpor s klesající teplotou, měď se ani při teplotě několika kelvinů nestane supravodičem a rtuť, olovo a hliník ano, jejich odpor se ukazuje být nejméně sto bilionů krát nižší než u mědi za stejných podmínek.

Stojí za zmínku, že Onnes neučinil nepodložená tvrzení, že odpor rtuti při průchodu proudu se stal přesně nulovým a jednoduše neklesl natolik, že by bylo nemožné jej měřit tehdejšími přístroji.

Uspořádal experiment, ve kterém proud v supravodivé cívce ponořené do kapalného helia pokračoval v cirkulaci, dokud se džin nevypařil. Střelka kompasu, která sledovala magnetické pole cívky, se vůbec nevychýlila! V roce 1950 bude přesnější experiment tohoto druhu trvat rok a půl a proud se i přes tak dlouhou dobu nijak nesníží.

Zpočátku je známo, že elektrický odpor kovu výrazně závisí na teplotě, můžete sestavit takový graf pro měď.

Čím vyšší teplota, tím více atomy vibrují.Čím více atomy vibrují, tím výraznější překážkou se stávají v cestě elektronů tvořících proud. Pokud se teplota kovu sníží, pak se jeho odpor sníží a přiblíží se určitému zbytkovému odporu R0. A tento zbytkový odpor, jak se ukázalo, závisí na složení a „dokonalosti“ vzorku.

Faktem je, že vady a nečistoty se nacházejí v každém vzorku vyrobeném z kovu. Tato závislost Onese zajímala především v roce 1911, zpočátku neusiloval o supravodivost, ale chtěl pouze dosáhnout takové frekvence vodiče, aby minimalizoval jeho zbytkový odpor.

V těch letech se rtuť snáze čistí, a tak na ni výzkumník narazil náhodou, přestože platina, zlato a měď jsou při běžných teplotách lepšími vodiči než rtuť, akorát je obtížnější je čistit.

Při poklesu teploty nastává náhle supravodivý stav v určitém okamžiku, kdy teplota dosáhne určité kritické úrovně. Tato teplota se nazývá kritická, když teplota klesne ještě níže, odpor prudce klesne na nulu.

Čím je vzorek čistší, tím je kapka ostřejší a u nejčistších vzorků se tento pokles vyskytuje v intervalu menším než setina stupně, ale čím je vzorek znečištěnější, tím je kapka delší a dosahuje desítek stupňů, to je zejména patrný v vysokoteplotní supravodiče.

Kritická teplota vzorku se měří uprostřed intervalu prudkého poklesu a je individuální pro každou látku: pro rtuť 4,15 K, pro niob 9,2 K, pro hliník 1,18 K atd. Slitiny jsou samostatný příběh, jejich supravodivost objevil později Onnes: rtuť se zlatem a rtuť s cínem byly první supravodivé slitiny, které objevil.

Jak bylo uvedeno výše, vědec provedl chlazení kapalným heliem. Mimochodem, Onnes získal kapalné helium podle vlastní metody, vyvinuté ve vlastní speciální laboratoři, založené tři roky před objevem fenoménu supravodivosti.

Abychom trochu porozuměli fyzice supravodivosti, ke které dochází při kritické teplotě vzorku tak, že odpor klesne na nulu, je třeba zmínit fázový přechod… Normální stav, kdy má kov normální elektrický odpor, je normální fáze. Supravodivá fáze — to je stav, kdy má kov nulový odpor. Tento fázový přechod nastává bezprostředně po dosažení kritické teploty.

Proč dochází k fázovému přechodu? V počátečním "normálním" stavu jsou elektrony ve svých atomech pohodlné, a když proud protéká drátem v tomto stavu, energie zdroje je vynaložena na to, aby přinutila některé elektrony opustit své atomy a začít se pohybovat podél elektrického pole, i když na svých cestách narazí na blikající překážky.

Když je drát ochlazen na teplotu pod kritickou teplotou a zároveň se přes něj usadí proud, je pro elektrony (energeticky příznivé, energeticky levné) výhodnější být v tomto proudu a vrátit se do původního stavu. "normální" stav, bylo by v tomto případě nutné odněkud získat energii navíc, která však odnikud nepřichází. Proto je supravodivý stav tak stabilní, že jej hmota nemůže opustit, pokud není znovu zahřátá.

Viz také:Meissnerův jev a jeho využití