Supravodljivost metala, otkriće Heike Kamerling-Onnes

Prvi koji se susreo s fenomenom supravodljivosti Heike Kamerling Onnes — nizozemski fizičar i kemičar. Godina otkrića fenomena bila je 1911. A već 1913. godine znanstvenik će za svoje istraživanje dobiti Nobelovu nagradu za fiziku.

Provodeći studiju o električnom otporu žive na ultraniskim temperaturama, želio je utvrditi do koje razine može pasti otpor tvari prema električnoj struji ako se očisti od nečistoća, te smanjiti što je moguće više što se može nazvao. »termalni šum«, odnosno sniziti temperaturu tih tvari. Rezultati su bili neočekivani i zapanjujući. Na temperaturama nižim od 4,15 K, otpor žive odjednom je potpuno nestao!

Ispod je grafikon onoga što je Onnes primijetio.

U to je vrijeme znanost znala barem toliko struja u metalima je tok elektrona, koji su odvojeni od svojih atoma i, poput nabijenog plina, odneseni električnim poljem.To je poput vjetra kada se zrak kreće iz područja visokog tlaka u područje niskog tlaka. Samo što se sada kod struje umjesto zraka nalaze slobodni elektroni, a razlika potencijala između krajeva žice analogna je razlici tlakova za primjer zraka.

Kod dielektrika je to nemoguće, jer su elektroni čvrsto vezani za svoje atome i vrlo ih je teško otrgnuti s mjesta. I premda se u metalima elektroni koji stvaraju struju kreću relativno slobodno, povremeno se sudaraju s preprekama u obliku vibrirajućih atoma i dolazi do svojevrsnog trenja tzv. električni otpor.

Ali kada je na ultra-niskoj temperaturi počinje se manifestirati supravodljivost, iz nekog razloga nestaje učinak trenja, otpor vodiča pada na nulu, što znači da se elektroni kreću potpuno slobodno, neometano. Ali kako je to moguće?

Kako bi pronašli odgovor na ovo pitanje, fizičari su desetljećima istraživali. I danas se obične žice nazivaju "normalnim" žicama, dok vodiči u stanju nultog otpora nazivaju se "supravodičima".

Treba napomenuti da iako obični vodiči smanjuju svoj otpor s padom temperature, bakar, čak ni na temperaturi od nekoliko kelvina, ne postaje supravodič, a živa, olovo i aluminij postaju, njihov otpor ispada najmanje sto trilijuna puta niži od bakra pod istim uvjetima.

Vrijedno je napomenuti da Onnes nije iznio neutemeljene tvrdnje da je otpor žive tijekom prolaska struje postao točno nula, te da nije jednostavno pao toliko da ga je postalo nemoguće izmjeriti instrumentima tog vremena.

Postavio je eksperiment u kojem je struja u supravodljivoj zavojnici uronjenoj u tekući helij nastavila cirkulirati sve dok duh nije ispario. Igla kompasa, koja je pratila magnetsko polje zavojnice, nije nimalo odstupala! Godine 1950. točniji eksperiment ove vrste trajat će godinu i pol, a struja se neće ni na koji način smanjivati, unatoč tako dugom vremenskom razdoblju.

U početku je poznato da električni otpor metala značajno ovisi o temperaturi, možete izgraditi takav grafikon za bakar.

Što je viša temperatura, to više atomi vibriraju. Što više atomi vibriraju, to postaju značajnija prepreka na putu elektrona koji tvore struju. Ako se temperatura metala smanji, tada će se njegov otpor smanjiti i približiti se određenom zaostalom otporu R0. A taj preostali otpor, kako se pokazalo, ovisi o sastavu i "savršenstvu" uzorka.

Činjenica je da se nedostaci i nečistoće nalaze u svakom uzorku izrađenom od metala. Ta je ovisnost zanimala Onesa prije svega 1911. godine, u početku nije težio supravodljivosti, već je samo želio postići takvu frekvenciju vodiča kako bi minimizirao njegov preostali otpor.

Tih godina živu je bilo lakše pročišćavati pa je istraživač slučajno naišao na nju, unatoč tome što su platina, zlato i bakar bolji vodiči od žive na običnim temperaturama, samo ih je teže pročistiti.

Kako se temperatura smanjuje, stanje supravodljivosti se naglo javlja u određenom trenutku kada temperatura dosegne određenu kritičnu razinu. Ova temperatura se naziva kritičnom, kada temperatura padne još niže, otpor naglo pada na nulu.

Što je uzorak čišći, to je pad oštriji, a kod najčišćih uzoraka taj pad se događa u intervalu manjem od stotinke stupnja, ali što je uzorak zagađeniji, to je pad duži i doseže desetke stupnjeva, to je posebno primjetan u visokotemperaturni supravodiči.

Kritična temperatura uzorka mjeri se u sredini intervala oštrog pada i individualna je za svaku tvar: za živu 4,15K, za niobij 9,2K, za aluminij 1,18K itd. Legure su posebna priča, njihovu supravodljivost otkrio je kasnije Onnes: živa sa zlatom i živa s kositrom bile su prve supravodljive legure koje je otkrio.

Kao što je gore spomenuto, znanstvenik je izvršio hlađenje tekućim helijem. Inače, Onnes je tekući helij dobivao prema vlastitoj metodi, razvijenoj u vlastitom posebnom laboratoriju, osnovanom tri godine prije otkrića fenomena supravodljivosti.

Da bismo razumjeli nešto o fizici supravodljivosti, koja se javlja na kritičnoj temperaturi uzorka tako da otpor padne na nulu, treba spomenuti fazni prijelaz… Normalno stanje, kada metal ima normalan električni otpor, je normalna faza. Supervodljiva faza — ovo je stanje kada metal ima nulti otpor. Ovaj fazni prijelaz događa se odmah nakon kritične temperature.

Zašto dolazi do faznog prijelaza? U početnom "normalnom" stanju, elektroni se osjećaju ugodno u svojim atomima, a kada struja teče kroz žicu u ovom stanju, energija izvora se troši kako bi prisilila neke elektrone da napuste svoje atome i počnu se kretati duž električnog polja, iako na svom putu nailaze na treperave prepreke.

Kada se žica ohladi na temperaturu ispod kritične temperature i istovremeno se kroz nju uspostavi struja, elektronima postaje pogodnije (energetski povoljno, energetski jeftino) biti u toj struji, te se vratiti u prvobitnu "normalnom" stanju, bilo bi potrebno u ovom slučaju, odnekud dobiti dodatnu energiju, ali ona ne dolazi niotkuda. Stoga je supravodljivo stanje toliko stabilno da ga materija ne može napustiti osim ako se ponovno ne zagrije.

Vidi također:Meissnerov efekt i njegova primjena