Nadprzewodnictwo

Na początku XVI w. w dziele ”Problemata” Zimmar podał pierwszy znany przepis na mieszaninę chłodzącą. W 1780 roku dwaj Francuzi J. Cloutet i G. Monge jako pierwsi skroplili gaz-dwutlenek siarki. W 1908 holenderski fizyk Heike Kamerlingh-Onnes skroplił hel, gaz o najniższej temperaturze parowania-zaledwie, która wynosi 4,2K. To odkrycie w późniejszym czasie zaowocowało rozpoczęciem badań nad nadprzewodnictwem.
Nadprzewodnictwo jest to zjawisko zaniku oporu elektrycznego obserwowane w niektórych metalach
np. Pb, Zn, Al, stopach metali np. bizmutu ze złotem, węglików molibdenu i wolframu, azotku niobu
oraz w pewnych spiekach ceramicznych . Materiały dla których zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa, nazywamy nadprzewodnikami. Nadprzewodnictwo obserwowane jest w niskich, mniejszych od pewnej, charakterystycznej
dla danego materiału temperaturze, tzw. temperaturze krytycznej. Stan nadprzewodzący może zaniknąć
po umieszczeniu nadprzewodnika w silnym polu magnetycznym, nawet gdy materiał znajduje się w temperaturze mniejszej od krytycznej wtedy w nadprzewodniku płynie prąd elektryczny. Zanikowi nadprzewodnictwa towarzyszy wydzielenie ciepła, mające w przypadku silnych elektromagnesów charakter eksplozji.
Pierwszym badaczem zjawiska był Heike Kamerlingh-Onnes urodzony w 1853 roku w Holandii. Studiował matematykę i fizykę na uniwersytecie w Groningen. W 1879 otrzymał tytuł doktora magna cum laude. Swoją prace doktorska zatytułował „Nowe dowody wirowania Ziemi wokół osi”, była ona wynikiem współpracy z Gustav Kirchhoffem. Dzięki swojemu wcześniejszemu dokonaniu, skropleniu helu, był jedynym wówczas na świecie człowiek , który dysponował ciekłym helem i możliwością badań w tak niskiej temperaturze. Do swych badań wybrał rtęć. Ku jego zaskoczeniu opór rtęci zamiast stopniowo zmieniać się wraz z temperaturą, w pobliżu temperatury równej 4,3K gwałtownie spadł , a w temperaturze 4,23K w ogóle zniknął. Oznaczało to że prąd płynął przez rtęć bez najmniejszych strat ,tak jakby rtęć nagle straciła swą oporność elektryczną. Odkrycie to uznano
za jedno z największych w historii fizyki. Tego najsłynniejszego odkrycia dokonał w 1911 roku. Badając rtęć, cynę, ołów i inne metale stwierdził, że w pewnej temperaturze opór elektryczny nagle zanika, jednak nie potrafił wyjaśnić tego zjawiska, ale doskonale zdawał sobie sprawę z jego znaczenia. Uznał, że zanik oporności sygnalizuje nowy stan materii i nazwał to zjawisko supraprzewodnictwem. Już w dwa lata po tym odkryciu otrzymał Nagrodę Nobla. W tym samym roku zbudował pierwszy w historii magnez nadprzewodnikowy.
Dziesiątki lat mijały, a nadprzewodnictwo było tylko zwykłą ciekawostką bez perspektywy praktycznego zastosowania. Trzema barierami w zastosowaniu nadprzewodnictwa były: silne pole magnetyczny, wysoka temperatura i silne prądy. Przekroczenie przez każdy z tych czynników pewnej niewielkiej wartości krytycznej prowadziło do zaniku nadprzewodnictwa. Jako pierwsi podjęli problem badacze niemieccy w laboratorium Waltera Meissnera i już w latach 30 uzyskali nadprzewodniki o temperaturze krytycznej równej 10K. Prawdziwie liczący
się sukces uzyskali trzej Amerykanie J. Hulm, J. Kunzler i B. Matthias. W 1950 rozpoczęli systematyczne badanie różnych stopów i związków celem zrozumienia jakie właściwości zwykłych materiałów decydują o możliwości stworzenia z nich nadprzewodników. Sformułowano wówczas empiryczne prawo o zależności temperatury przejścia w stan nadprzewodzący od wartościowości atomów wchodzących w skład stopu lub związku.1
W ciągu 40 lat od odkrycia nadprzewodnictwa przez Kamerlingha-Onnesa nikomu nie udało się wyjaśnić przyczyny tego zjawiska. Zagadka ta inspirowała wielu fizyków, w tym także Johna Bardeena. Ten wyjątkowo inteligentny Amerykanin urodził się w 1908 roku w Medison w stanie Wisconsin. W wieku 17 lat rozpoczął studia na uniwersytecie w Wisconsin. Później otrzymał stopień doktora na uniwersytecie w Prinston. Wykładał
na Uniwersytecie Harwarda oraz University of Minnesota. Podczas pracy w Bell Laboratories, wynalazł tranzystor ostrzowy za który został w 1956 laureatem Nagrody Nobla. Jednakże zrezygnował z pracy w laboratoriach Bella
na rzecz stanowiska profesora fizyki i inżynierii na University of Illinois. W roku 1950 znaleziono klucz
do nadprzewodnictwa. Wykryto, że izotopy tego samego pierwiastka stają się nadprzewodnikami w różnych temperaturach. Nasunęło to przypuszczenie, że nadprzewodnictwo jest skutkiem oddziaływania miedzy elektronami a siecią krystaliczną.2 Tym właśnie zagadnieniem zajmował się Bardeen wraz z Leonem Cooperem i Johnem Schrieferem w rezultacie czego w 1957 roku ogłosili oni ogólną teorię nadprzewodnictwa. Mówi ona,
że nadprzewodnictwo jest to skutek oddziaływania miedzy elektronami a fononami, czyli drganiami sieci krystalicznej metalu. Fonony zaburzają ruch elektronów i tym samym przyczyniają się do zwiększenia oporu elektrycznego przewodnika. W niskich temperaturach drgania są znacznie osłabione a oddziaływania z siecią powodują powstanie par elektronów o przeciwnych spinach3. Teoria BCS przyniosła swoim autorom w 1972 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .Aby w pełni móc korzystać z zastosowań nadprzewodników potrzebne
są materiały nadprzewodzące prąd w wyższych temperaturach. Nadprzewodniki byłyby idealne jako kable dostarczające energię elektryczną, ponieważ nie byłoby strat, ale trzeba je utrzymywać w bardzo niskiej temperaturze za pomocą ciekłego helu lub azotu, co jest bardzo kosztowne. Dlatego też od momentu odkrycia zjawiska przez Kamerligha – Onnesa trwają prace nad znalezieniem nadprzewodnika działającego w temperaturze pokojowej. Pierwszy nadprzewodnik osiągał swe właściwości w temperaturze 4,23 K czyli około -269oC,
w 1953 roku za sprawą Matchiasa temperatura krytyczna wynosiła 18K. W dwadzieścia lat później tzn. w 1973 roku przekroczony został pewien próg praktycznego zastosowania. Pierwszy "wysokotemperaturowy" nadprzewodnik jakim był związek niobu z germanem potrzebował temperatury 23,2 K czyli –250oC. Dzięki temu do chłodzenia
i utrzymywania odpowiedniej temperatury zamiast drogiego helu można było używać wodoru.
Po ponad trzynastu latach bezowocnych badań do dzieła przystąpili dwaj badacze z laboratorium IBM. Szwajcar Karl Alexander Müller oraz jego były student Johannes Georg Bednorz sięgnęli po materiał, który
nie był przewodnikiem, a izolatorem. Już pierwsze badania przyniosły zaskakujące efekty. Przygotowany
przez nich spiek tlenków baru, lantanu i miedzi staje się nadprzewodnikiem w temperaturze 35 K czyli około
–238 oC. Odkrycie to nie tylko przyniosło Szwajcarom w 1972roku Nagrodę Nobla, ale także zmobilizowało
to innych fizyków do działania. W ciągu niespełna roku temperaturę krytyczną podniesiono do 93 K.
Od tego momentu wyróżniona Nagrodą Nobla teoria nadprzewodnictwa BCS okazała się zawodna. Sami jej twórcy przyznali, że należy ją zmodyfikować, a być może odrzucić i stworzyć całkowicie nową.
Gdy w 1987 roku wszyscy fizycy wciąż pracowali nad materiałami wskazanymi przez Bednorza i Müllera,
Allan Herman postanowił spróbować innej drogi. Do swych badań wprowadził tal i w 1988 roku otrzymał związek,
który stał się nadprzewodnikiem w temperaturze 125 K tj. –150 oC.
Ponieważ nadprzewodzący materiał nie toleruje substancji ferromagnetycznych to zanieczyszczenie nadprzewodnika metalami o takich właściwościach niweczy efekt nadprzewodzenia. Żelazo, znane ze swoich właściwości magnetycznych, wydawało się nie spełniać warunków koniecznych dla uzyskania nadprzewodnictwa. Jednak nie wszystkie postacie żelaza są takie same. W temperaturze poniżej 1000 K żelazo tworzy „sześcienne” kryształy typu bcc i jest silnie ferromagnetyczne, czyli daje się łatwo namagnesować. W temperaturze powyżej
1000 K występują już w tym metalu kryształy fcc, a pod wpływem wysokiego ciśnienia jeszcze inna struktura, tzw. kryształy „sześciokątne” typu hcp. Już wcześniej przewidywano, że ta właśnie postać żelaza może być pozbawiona właściwości ferromagnetycznych i zdolna do nadprzewodzenia. Zespołowi uczonych z uniwersytetu w Osace udało się uzyskać efekt nadprzewodnictwa w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury. Do eksperymentu użyto próbki żelaza o czystości przekraczającej 99,995%. Ciśnienie rzędu 15–30 GPa oraz temperatura poniżej
2 K sprawiają, że żelazo typu bcc przechodzi w postać hcp. O osiągnięciu nadprzewodnictwa świadczył
m.in. zaobserwowany wówczas tzw. efekt Meissnera, polegający na tym, że magnes umieszczony ponad nadprzewodnikiem zaczął „lewitować”.
Naukowcy z Bell Laboratorium: Christian Kloc, Zhenan Bao i Ananth Dodabalapur na początku 2001 roku wyprodukowali pierwszy na świecie nadprzewodnik z tworzywa sztucznego. Tworzywo to jest niedrogim materiałem, który najprawdopodobniej znajdzie w przyszłości wiele zastosowań, np. w komputerach kwantowych
i układach elektronicznych wykorzystujących zjawisko nadprzewodnictwa.
Przełomowe odkrycie Laboratoriów Bella jest efektem dwudziestoletnich poszukiwań organicznych polimerów, działających jak nadprzewodniki. Organiczne polimery, czyli cząsteczki chemiczne składające się z długich łańcuchów atomów węgla, tworzą uniwersalne tworzywo sztuczne. O ile organiczne polimery przewodzące
prąd znane są już od lat siedemdziesiątych to znalezienie polimerowego nadprzewodnika okazało się znacznie trudniejsze.
Przeszkodą w odkryciu nadprzewodnika z tworzywa sztucznego była właściwa dla polimerów nieregularność struktury, która uniemożliwiała powstanie interakcji elektronowych niezbędnych dla nadprzewodnictwa. Naukowcom z Laboratoriów Bella udało się pokonać tę trudność poprzez stworzenie związku zawierającego plastik - politiofenu. Następną czynnością było ułożenie cienkich warstw tego tworzywa na podłożu, tak, by cząsteczki polimeru leżały na sobie. Zamiast jak zwykle zmieniać właściwości elektryczne materiału przez dodanie zanieczyszczeń chemicznych naukowcy posłużyli się nowatorską techniką polegającą na usunięciu elektronów
z politiofenu. Politiofen stał się nadprzewodnikiem w temperaturze -235oC. Chociaż temperatura ta jest bardzo niska, naukowcy mają nadzieję, że dzięki modyfikacji struktury cząsteczkowej polimeru uda się ją podnieść.
Politiofen, który w temperaturze pokojowej normalnie przewodzi prąd i znalazł już zastosowanie
w optoelektronice i budowie inteligentnych pikseli, może stać się pierwszym z wielu nadprzewodników z tworzywa sztucznego.
Prawdziwym sukcesem będzie jednak dopiero uzyskanie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej,
a wiec około 300 K. Choć w dziedzinie nadprzewodnictwa rozdane zostały aż trzy Nagrody Nobla to z pewnością fizyk który dokona tego odkrycia także zostanie jej laureatem.
Mimo, ze pełne wykorzystania nadprzewodnictwa należy do przyszłości, to już teraz trwają dyskusje
nad jego praktycznym zastosowaniem. Amerykaninie na przykład marzą o akceleratorze z użytymi elektromagnesami nadprzewodnikowymi, którego obwód będzie wynosił 160km. Kolejny przykład to japoński pociąg przyszłości poruszający się na poduszce magnetycznej systemu Maglev (magnetic levitation). Nadprzewodnikowe magnesy zastosowane w tym eksperymentalnym modelu pojazdu indukują pole umożliwiające „zawieszenie” pojazdu w powietrzu, co eliminuje tarcie kół o szyny. Napęd elektrycznym silnikiem umożliwia dzieki temu uzyskanie prędkości 500km/h przy pełnym bezpieczeństwie pasażerów. Trzecim przykładem
jest japoński projekt łodzi podwodnj „napędzanej” nadprzewodzącym elektromagnesem zainstalowanym w dennej części łodzi. Zgodnie z projektem, pod wpływem silnego pola magnetycznego cząsteczki wody przepływające
przez wnętrze magnesu ulegną przyspieszeniu, jak w akceleratorze, a w konsekwencji pojawi się siła odrzutu,
która umożliwi pływanie łodzi podwodnej z prędkością 100 węzłów. W projekcie są również urządzenia elektryczne pracujące prawie bez strat, magnesy o wielkiej mocy, superszybkie miniaturowe komputery oraz szybki samochody elektryczne.
Przedstawione wyżej projekty są jeszcze marzeniami, ale już teraz można zauważyć obecność nadprzewodnictwa w niektórych dziedzinach. Nadprzewodząca cewka użyta została w galwanometrze zbudowanym w 1958 roku, obecnie stosuje się go do pomiarów bardzo słabych napięć stałych. Zjawisko nadprzewodnictwa wykorzystane zostało także do budowy magnetometrów, do pomiarów bardzo słabych zmian wielkości magnetycznych np. w medycynie i biologii do wykonywania magnetokardiogramów lub badania bioprądów.
W przyszłości kable nadprzewodnikowe lub linie energetyczne transportujące energię bez strat wyprą olbrzymie transformatory. Już dzisiaj taki sposób przesyłania energii elektrycznej funkcjonuje na okrętach wojennych.

Przypisy
1 Anna i Krzysztof Błaszkowscy: Wcześniej niż w encykolopedii, Warszawa, 1992, s. 150
2 John Simmons: Stu najwybitniejszych uczonych wszech czasów, Warszawa, 1997, s.202
3 tamże

Bibliografia
Błaszkowscy A. I K.: Wcześniej niż w encyklopedii, Warszawa 1992
Simmons J.: Stu najwybitniejszych uczonych wszech czasów, Warszawa 1997
Multimedialna Encyklopedia Powszechna-Edycja 2000, Fogra
Jaworski B.M. i Dietła A.A.: Fizyka – poradnik encyklopedyczny, Warszawa 1971
Jaworski B.M. i Piński A.A.: Elementy fizyki, Warszawa 1976