Nadprzewodnictwo – niezwykłe zjawisko
Nieco ponad 100 lat temu holenderski uczony Heike Kamerlingh Onnes, badając przewodnictwo rtęci w niskich temperaturach, odkrył ku swojemu zaskoczeniu, że gdy temperatura spadła poniżej 4,2 K (ok. –269ºC), opór elektryczny metalu raptownie obniżył się do zera. Zazwyczaj opór elektryczny jest wyraźnie mierzalny – prąd elektryczny to uporządkowany ruch elektronów, które, poruszając się w przewodniku, zderzają się z atomami w sieci krystalicznej metalu, co powoduje ich spowolnienie i zmianę kierunku. Mówiąc popularnie – to trochę tak, jakby małe dziecko przeciskało się przez tłum dorosłych pasażerów do wyjścia w autobusie. W przypadku nadprzewodnictwa wygląda to, jakby nagle pasażerowie zniknęli, a dziecko bez trudu mogło przebiec przez pojazd. Zjawisko to było absolutnie nieoczekiwane. Z wcześniejszych badań wynikało co prawda, że opór przewodników spada wraz z obniżeniem temperatury, ale proces ten nie przebiega gwałtownie i nawet w temperaturach zbliżonych do zera bezwzględnego (0 K, –273,15ºC) opór nadal pozostaje dość duży. Temperaturę, w której spada on nagle do zera, uczeni zaczęli nazywać temperaturą krytyczną.
W kolejnych dekadach wielu naukowców mierzyło się z teoretycznym wyjaśnieniem tego zjawiska. Nawet najtęższe umysły pierwszej połowy XX w., takie jak Heisenberg, Bohr, Einstein czy Feynman, podejmowały próby stworzenia teorii nadprzewodnictwa – bez większych sukcesów. Ten ostatni napisał nawet zrezygnowany: nikt nie jest na tyle bystry, aby to wyjaśnić. Trzeba było kolejnych dziesięcioleci i wkładu kilku uczonych, aby przybliżyć się do rozwiązania zagadki znikania oporu elektrycznego w niskich temperaturach. W latach 50. XX w. tajemnica nadprzewodnictwa zaczęła być stopniowo rozwiązywana, ale dopiero po mniej więcej 20 latach powstała w miarę spójna teoria na ten temat. Okazuje się, że zjawiska tego nie da się wyjaśnić na bazie fizyki klasycznej. Niezbędne staje się tutaj odwołanie do zjawisk kwantowych, ale i tak teoria nie jest kompletna, ponieważ nie wyjaśnia nadprzewodnictwa występującego w temperaturach wyższych niż 30 K (–243,15ºC).
Nadprzewodzące metale i stopy
Po odkryciu nadprzewodnictwa wiele zespołów naukowych zajęło się badaniami tego zjawiska, próbując przede wszystkim sprawdzić, czy rtęć jest jedynym tak zachowującym się metalem. Dość szybko okazało się, że nie. Najpierw wykazano nadprzewodnictwo dla ołowiu, metalu będącego dość średnim przewodnikiem prądu w temperaturze pokojowej. Kolejnym, nieco egzotycznym, był niob (Nb), ale sporą sensacją okazało się odkrycie nadprzewodnictwa tlenku niobu(III), choć zwykle tlenki metali są raczej półprzewodnikami. Półprzewodniki to materiały, które w zależności od warunków (temperatura, ale też oświetlenie czy pole elektromagnetyczne) mogą być izolatorami albo przewodnikami prądu. W przeciwieństwie do przewodników opór elektryczny maleje w nich ze wzrostem temperatury.
Wkrótce badania objęły też stopy rozmaitych metali. Okazało się, że wiele z nich jest nadprzewodnikami, a do tego ich temperatury krytyczne były wyższe niż w przypadku rtęci czy ołowiu. W latach 60. XX w. zmierzono temperaturę krytyczną stopu niobu z cyną (Nb3Sn) na poziomie 20 K (ok. –253ºC). Do uzyskania takiej temperatury nie trzeba już używać ciekłego helu, wystarczy znacznie łatwiejszy do wyprodukowania ciekły azot.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe
Wyniki badań laboratoryjnych wskazywały, że interesującą grupą związków mogących wykazywać nadprzewodnictwo w wyższych temperaturach są rozmaite tlenki. Trzeba zauważyć, że stało to w sprzeczności z obowiązującą teorią Bardeena, Coopera i Schrieffera (patrz ramka), zgodnie z którą temperatura krytyczna nadprzewodnika nie może przekroczyć ok. 30 K. Tymczasem w 1986 r. Bednorz oraz Müller odkryli nadprzewodnictwo w zawierającym lantan materiale typu perowskit – w tym przypadku temperatura krytyczna wyniosła aż 35 K. Niewiele później, gdy zamiast lantanu użyto itru (tzw. materiał typu YBCO – tlenek itru, baru i miedzi), tę granicę przesunięto aż do 90 K. Co ciekawe, synteza materiałów YBCO jest na tyle prosta i tania, że w szkołach średnich w USA stosuje się je do pokazów lewitacji magnetycznej.
Obecnie zdecydowaną większość nadprzewodników wysokotemperaturowych stanowią tlenki mieszane metali. W 2015 r. pojawiły się jednak doniesienia o dość niezwykłych badaniach, w ramach których znaleziono materiał będący nadprzewodnikiem w temperaturze ponad 200 K. Był to siarkowodór (H2S)! Tak, ten śmierdzący gaz staje się nadprzewodnikiem, ale w bardzo ekstremalnych warunkach, a mianowicie pod ciśnieniem ponad 1,5 mln atm.
Do uzyskania pierwszych nadprzewodników wykorzystywano ciekły hel, w badaniach nad nowszymi wystarcza ciekły azot. Kolejną bardzo ważną barierą będzie przekroczenie temperatury otoczenia, czyli w zasadzie 273 K (0ºC). Przy obecnym tempie prac badawczych może stać się to niebawem. Eksperymenty, jak to czasem bywa, wyprzedziły teorię, bo do dziś nie ma spójnej teorii nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.
Nadprzewodniki – zastosowania praktyczne
100 lat temu nadprzewodnictwo było tak naprawdę tylko istotną ciekawostką naukową, ale już wkrótce zaczęto zastanawiać się nad praktycznymi sposobami wykorzystania tego zjawiska w technice. I dziś nadal można dostrzec te dwa nurty w badaniach: z jednej strony ciągle analizujemy zjawisko nadprzewodnictwa i próbujemy uzyskać nadprzewodniki wysokotemperaturowe, ale jednocześnie poszerzamy możliwości zastosowania tej wiedzy w praktyce.
Wielu czytelników zapewne zetknęło się z tym zjawiskiem, choć pewnie nie zdawali sobie z tego sprawy. Bo każdy, kto miał robione badania metodą rezonansu magnetycznego, zawdzięcza otrzymane wyniki nadprzewodzącym elektromagnesom, wytwarzającym odpowiednie pole magnetyczne niezbędne do uzyskania sygnału. Klasyczne elektromagnesy nie są w stanie wytworzyć takiego pola, dlatego producenci sprzętu medycznego stosują magnesy nadprzewodzące, które do działania wymagają schłodzenia do temperatury ciekłego helu. Podobne magnesy wykorzystują fizycy i chemicy do spektroskopii jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR), ale również w zasadzie we wszystkich znacznie bardziej zaawansowanych akceleratorach cząstek, w tym w największym na świecie – Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN w Genewie.
Innymi przykładami zastosowania nadprzewodnictwa są urządzenia konstruowane do badań nad fuzją jądrową (tzw. tokamaki). Wytwarzana w nich plazma wymaga tzw. pułapki magnetycznej, którą tworzy właśnie zespół nadprzewodzących magnesów. Cewka w obecnie konstruowanym największym tokamaku, znanym pod skrótem ITER, ma być wykonana z nadprzewodnika opartego na stopie niobu z cyną. Będzie w niej płynął prąd o natężeniu 46 tys. A, co pozwoli na wytworzenie pola magnetycznego o natężeniu 13,5 T. Bardzo ciekawe jest zastosowanie nadprzewodnictwa w urządzeniach znanych pod skrótem SQUID (superconducting quantum interference device – nadprzewodzący interferometr kwantowy). Maszyny te służą do pomiarów bardzo małych pól magnetycznych i znalazły zastosowanie w medycynie (np. magnetoencefalografia), biologii, fizyce czy geologii.
Już dawno temu wymyślono kolej opartą na tzw. lewitacji magnetycznej (maglev). Obecnie istniejące systemy wykorzystują magnesy klasyczne, ale pojawiło się już sporo projektów transportu z elektromagnesami nadprzewodzącymi. Na podobnej zasadzie działają łożyska nadprzewodzące, w których straty spowodowane tarciem ograniczono do minimum. Ostatnio łożysko doświadczalne tego typu, zbudowane na bazie nadprzewodnika YBaCuO, osiągnęło 135 tys. obr./min.
Od bardzo dawna inżynierowie myślą nad tym, jak wykorzystać nadprzewodniki do budowy energetycznych linii przesyłowych. Obecnie jest to jednak całkowicie nieopłacalne, ponieważ potencjalne zyski z niższych strat na przesyle zużywa się na chłodzenie konieczne do podtrzymania nadprzewodnictwa. Wprawdzie w Essen (Niemcy) istnieje badawcza linia przesyłowa o napięciu 10 kV chłodzona ciekłym azotem, ale na pełne praktyczne wykorzystanie nadprzewodnictwa w tym zakresie trzeba będzie poczekać do czasu, gdy będą dostępne dobre i tanie nadprzewodniki wysokotemperaturowe.
Bardzo futurystyczną koncepcją, choć pierwsze pomysły zaistniały wiele dziesięcioleci temu, są nadprzewodnikowe zasobniki energii SMES (ang. superconducting magnetic energy storage). Jest to sposób gromadzenia energii elektrycznej w wytworzonym przez prąd stały polu magnetycznym. Solenoid (cewka) wykonany z nadprzewodnika „ładuje” się energią z zewnątrz i pozostaje ona w nim aż do momentu wykorzystania. Projekty tego typu urządzeń zakładają budowę olbrzymich cewek (średnica ok. 1 km) pod powierzchnią ziemi. Energia byłaby kumulowana w czasie zmniejszonego zapotrzebowania na nią, np. w nocy. Obecnie istnieją tylko systemy eksperymentalne, pozwalające na zgromadzenie energii rzędu kilkudziesięciu MJ. Projekty zakładają jednak stworzenie znacznie większych urządzeń, umożliwiających przechowanie energii gigadżulowych. Podobnie jak w wielu innych systemach, podstawowym czynnikiem ograniczającym rozwój jest tutaj koszt wytworzenia odpowiedniego nadprzewodnika oraz wydajnego systemu chłodzenia.
dr n. chem. Mirosław Dworniczak
***
Nadprzewodnictwo a Nagroda Nobla
Zjawisko nadprzewodnictwa było na tyle niezwykłe i trudne do wyjaśnienia, że zaowocowało sporą liczbą przyznanych Nagród Nobla. Pierwszą z nich, w 1913 r., otrzymał jego odkrywca Kamerlingh Onnes. Zespół trzech uczonych amerykańskich – John Bardeen, Leon Cooper oraz John Schrieffer – został uhonorowany w 1972 r. za stworzenie spójnej teorii nadprzewodnictwa, znanej dziś jako teoria BCS. Już w następnym roku Nobla z fizyki przyznano Ivarowi Glaeverowi oraz Leo Esakiemu za odkrycie zjawiska tunelowego w półprzewodnikach i nadprzewodnikach. Wraz z nimi nagrodę dostał Brian Josephson za teoretyczne ustalenia związane ze zjawiskami znanymi dziś jako efekty Josephsona. Z kolei za odkrycie wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa w tlenkach metali w 1987 r. Nobla odebrali Johannes Georg Bednorz oraz Karl Aleksander Müller, i to zaledwie kilka lat po swoich pionierskich ustaleniach. I w końcu w 2003 r. wyróżnieni zostali dwaj Rosjanie – Witalij Ginzburg i Aleksiej Abrikosow – oraz Brytyjczyk Anthony Leggett. Można przypuszczać, że nie jest to ostatnia Nagroda Nobla za prace w tej dziedzinie.