Šiemet sukanka šimtas metų nuo vieno iš egzotiškiausių ir keisčiausių fizikos atradimų. Tai superlaidumas – reiškinys, kai tam tikrų medžiagų elektrinė varža žemoje temperatūroje visai išnyksta. Nors šis reiškinys ir neturi labai plataus taikymo, fizikos vystymosi istorijoje, jis pateikė nemažai staigmenų.
Šiemet sukanka šimtas metų nuo vieno iš egzotiškiausių ir keisčiausių fizikos atradimų. Tai superlaidumas – reiškinys, kai tam tikrų medžiagų elektrinė varža žemoje temperatūroje visai išnyksta. Nors šis reiškinys ir neturi labai plataus taikymo, fizikos vystymosi istorijoje, jis pateikė nemažai staigmenų.
1911 metų kovo mėnesį olandų fizikas H. Kamerlingas Onas (Heike Kamerlingh Onnes) pradėjo seriją eksperimentų, jis matavo metalų varžą labai žemoje temperatūroje. Pirmiausia buvo pamatuota gyvsidabrio varža, kadangi mokslininkas turėjo labai švaraus šio metalo pavyzdžių. Jis taip pat turėjo ir labai gryno aukso, bet, laimė, eksperimentai su juo nebuvo pradėti (auksas nepereina į superlaidžią būseną).
Dešinėje i H. Kamerlingas Onas
Mokslininkai žinojo, kad metalų varža mažėja šaldant, bet nebuvo aiškios nuomonės, kaip varža keisis labai žemose temperatūrose. Vieni manė, jog varža sumažės iki tam tikros baigtinės vertės, kiti, kad varža visai išnyks, kai temperatūra pasieks absoliutų nulį (0 laipsnių pagal Kelvino skalę arba -273,15 pagal Celsijaus skalę), o dar kiti, tarp jų ir Lordas Kelvinas (William Thomson, Lord Kelvin), manė, kad labai žemoje temperatūroje elektronai turi nustoti judėti – „sušalti“, ir dėl to metalai turėtų tapti izoliatoriais.
H. Kamerlingas Onas buvo dujų skystinimo labai žemose temperatūrose lenktynių aktyvus dalyvis. 1898 metais kitas šių lenktynių dalyvis Dž. Diuaras (James Dewar) pirmasis suskystino vandenilį, tačiau H. Kamerlingas Onas atsirevanšavo pirmasis suskystinęs helį 1908 m. liepos mėnesį. Vėliau jis sugebėjo dar labiau jį atšaldyti ir pasiekti temperatūrą tik vienu laipsniu aukštesnę už absoliutų nulį. Eksperimentai su skystu heliu buvo labai sudėtingi, todėl praėjo dar dveji su puse metų, kol H. Kamerlingas Onas galėjo pradėti tyrinėti metalų varžą tokioje žemoje temperatūroje.
Laikydamas gyvsidabrį U-formos vamzdelyje, mokslininkas palaipsniui žemino temperatūrą ir nuolat matavo gyvsidabrio varžą. Iš pradžių varža lėtai mažėjo, tačiau esant 4,19 K temperatūrai varža staiga išnyko. Tai buvo didelis siurprizas, nes jokia teorija neprognozavo, kad kažkokioje aukštesnėje už absoliutų nulį temperatūroje varža galėtų išnykti. Iš pradžių H. Kamerlingas Onas manė, kad įvyko eksperimentinė klaida ir kažkokios įrangos detalės užsitrumpino, tačiau kruopščiai patikrinęs visą įrangą, jis nustatė, kad varža tikrai išnyksta. O jau balandžio pabaigoje Leideno universiteto fizikos laboratorijos darbuose jis paskelbė straipsnį „Gryno gyvsidabrio varža skysto helio temperatūrose“ („The resistance of pure mercury at helium temperatures“).
Netrukus H. Kamerlingas Onas ištyrė alavo ir švino varžos pokyčius ir taip pat aptiko, kad jie tampa superlaidūs labai žemoje temperatūroje (esant 3,7 K ir 7,2 K atitinkamai).
Kiti fizikai greitai nesuvokė atradimo svarbumo, nes 1912 m. vykusioje konferencijoje H. Kamerlingo Ono pranešimas nesukėlė didelio susidomėjimo. Tačiau atradėjas gana greitai suvokė atradimo komercinį potencialą ir numatė, kad kada nors superpraleidūs laidai tieks elektrą vartotojams. Tačiau H. Kamerlingui Onui teko gerokai nusivilti, kai po poros metų jis atrado, kad superlaidi srovė yra sunaikinama net mažo magnetinio lauko. Tai reiškė, kad superlaidininku negalima leisti labai didelių srovių, ir jo praktinio taikymo perspektyvos tampa miglotos.
1913 m. H. Kamerlingas Onas iš pradžių pavartojo terminą „supralaidumas“ („supraconductivity") apibūdinti reiškinį; vėliau jis pakeitė tai į „superlaidumą" („superconductivity“). Iki 1914 m. jis aptiko kitą įdomų reiškinį: paleido „supersrovę“ uždarame žiede ir po metų, pastebėjo, kad ji vis dar tekėjo be pastebimo pasikeitimo.
H. Kamerlingas Onas gavo Nobelio premiją 1913 m., tik praėjus dvejiems metams po jo neįtikėtino atradimo, tačiau premijos formuluotėje buvo pacituoti jo darbai žemųjų temperatūrų fizikoje, ypač helio suskystinimas, bet ne specialiai superlaidumas.
Palaipsniui tyrinėjant įvairias medžiagas buvo lėtai keliama virsmo į superlaidžią būseną temperatūra. Tarp grynųjų medžiagų aukščiausia superlaidaus virsmo temperatūra yra niobyje (9,22 K), o tarp junginių - germanio ir niobio junginyje (23,2 K).
1933 m. buvo atrastas kitas įdomus reiškinys, susijęs su superlaidumu – Meisnerio (K. Meissner) efektas. Šio reiškinio esmė yra tai, kad magnetinis laukas negali prasiskverbti į superlaidininką, nes jis yra idealus diamagnetikas. Magnetinį lauką superlaidininko viduje sunaikina paviršiuje tekančios srovės, kurios sukuria veidrodinį išorinio magneto atspindį. Dėl to superlaidininkas, esantis superlaidžioje būsenoje, padėtas virš pakankamai stipraus magneto, ima levituoti – plaukioti virš jo.
Fizikai ilgokai negalėjo paaiškinti superlaidumo prigimties. Superlaidumo mikroskopinę teoriją (BCS) 1957 m. sukūrė Dž. Bardynas (John Bardeen ), L. Kūperis (Leon Neil Cooper) ir Dž. Šryferis (John Robert Schrieffer). Pagal šią teoriją svarbiausią vaidmenį superlaidume vaidina elektronų ir kristalinės gardelės sąveika. Dėl jos du elektronai su priešingais sukiniais sukuria Kūperio porą, kuri nesąveikaudama su kristaline gardele, gali tvarkingai judėti be pasipriešinimo.
Bėgant laikui, buvo išsiaiškinta, kad ir superlaidininkai būna dviejų tipų. Antro tipo superlaidininkams negalioja BCS teorijos dėsningumai. Šie superlaidininkai didinant magnetinį lauką (arba srovę tekančią superlaidininku) ne iš karto praranda superlaidumą. Iš pradžių atsiranda mišri būsena, kurioje egzistuoja ir superlaidžios sritys ir įprastinės. Tik gerokai padidinus lauką superlaidumas visai išnyksta.
Superlaidumo praktinį taikymą labai stabdė dvi aplinkybės: pirma – būtinybė turėti labai žemas temperatūras (reikalingas skystas helis, kurio virimo temperatūra yra 4,22 K, arba skystas vandenilis, kurio virimo temperatūra yra 20,3 K), antra – kritinė srovė, kurią viršijus superlaidumas išnyksta. Ši krizinė srovė didėja žeminant temperatūrą, todėl norint praleisti dideles sroves, reikia superlaidininką atšaldyti iki temperatūrų gerokai žemesnių už superlaidžiojo virsmo temperatūrą.
Norint plačiau taikyti superlaidumą reikėtų, kad jisai pasireikštų bent skysto azoto temperatūroje (virimo temperatūra 77,3 K). Skystas azotas yra palyginti pigus ir yra nuolat gaminamas dideliais kiekiais. Naujų medžiagų paieška vyko sunkiai: kritinė temperatūra didėjo labai lėtai – nuo 1940 m. iki 1980 m. ji išaugo tik kokiais 6 laipsniais. Iki skysto azoto kelias atrodė labai ilgas.
Ir štai visai netikėtai 1986 m. sausio mėnesį firmos IBM tyrimų centre Ciuriche J. G. Bednorcas (Johannes Georg Bednorz) ir A. Miuleris (Alex Müller) pastebėjo, kad bario-lantano-vario oksidų keramika (Ba-La-Cu-O – BLCO ) pasižymi superlaidžiomis savybėmis prie 30 K. Kas galėjo pagalvoti, kad keramika gali būti superlaidi. Autoriai nusiuntė straipsnį į gerai žinomą ir labai cituojamą žurnalą „Nature“, bet ten straipsnis buvo atmestas. Tada 1986 m. balandžio 17 d. jie nusiuntė tą patį straipsnį į kitą mažiau žinomą žurnalą „Zeitschrift für Physik B Condensed Matter”, kuris šį straipsnį ir išspausdino.
Tada ir prasidėjo: beveik per kelis mėnesius kritinė temperatūra buvo pakelta iki 93 K (tai reiškia, kad superlaidumą galima stebėti ir skysto azoto temperatūroje). Tyrėjų ir publikacijų skaičius didėjo kaip iš gausybės rago. 1987 m. kovo mėnesį įvyko Amerikos fizikų draugijos susirinkimas, skirtas aptarti naujai gautus rezultatus, kurį daugelis pavadino „Fizikų Vūdstoku“. Tai, kad įvyko kažkoks neeilinis atradimas, liudija ir 1987 m. A. Miuleriui ir J. G. Bednorcui paskirta Nobelio fizikos premija.
Taip atsirado nauja medžiagų klasė – aukštatemperatūriai superlaidininkai. Šiuo metu aukščiausia kritinė temperatūra siekia apie 135 K (Hg-Ba-Ca-Cu-O). Dauguma šių medžiagų priklauso vadinamųjų perovskitų keramikos grupei. Pastaruoju metu buvo atrastos dar kelios perspektyvių medžiagų grupės, pvz., geležies pniktidai (Sr-La-Fe-As-F ir pan.), kurie taip pat pasižymi superlaidumu esant gana aukštoms temperatūroms (apie 56 K).
Kol kas išsamios teorijos, paaiškinančios aukštatemperatūrį superlaidumą, nėra. BCS teorija šioms medžiagoms netinka, o kiti modeliai negali paaiškinti visų šių medžiagų ypatybių. Aukštatemperatūrio superlaidumo modelių sudėtingumą liudija tai, kad, pvz., 2009 m. net buvo pateikta hipotezė, bandanti paaiškinti ši reiškinį pasitelkus stygų teoriją, kuri, kaip žinome, yra naudojama elementarių dalelių fundamentaliajai prigimčiai paaiškinti ir net spręsti giliausias visatos atsiradimo ir evoliucijos problemas.
Nuo 1987 m. prof. Raimundo Dagio (1930–1996) iniciatyva aukštatemperatūrius superlaidininkus pradėjo tyrinėti ir Lietuvos mokslininkai iš Puslaidininkių fizikos instituto. Šiuo metu šie tyrimai vykdomi ne tik minėtame institute (B. Vengalio ir S. Balevičiaus tyrėjų grupės), bet ir Vilniaus Gedimino technikos universitete (A. Jukna).
Nepaisant sudėtingos ir gremėzdiškos šaldymo įrangos, kuri reikalinga superlaidumui palaikyti, šis reiškinys taikomas daugelyje mokslo ir technikos sričių. Pirmiausia tai unikalūs fizikų įrenginiai, tokie kaip Didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas CERN tyrimų centre. Superlaidumas naudojamas medicinoje branduolių magnetinio rezonanso įrenginiuose (tomografuose) ir labai silpnų smegenų skleidžiamų magnetinių laukų matavimuose panaudojant superlaidžius kvantinės interferencijos įtaisus (skvidus). Superlaidininkai taikomi įtaisuose, skirtuose apsaugoti svarbią elektroninę įrangą nuo labai stiprių elektromagnetinių impulsų poveikio.
Superlaidumas pritaikomas didelės galios elektronikoje, kai reikia praleisti dideles sroves be kaitimo. Iš niobio-alavo superlaidininkų gaminami laidai, kurie laidžia per 1 kvadratinio milimetro skerspjūvio plotą skysto helio temperatūroje praleisti iki 2000 A srovę (paprasti tokio skerspjūvio laidai gali praleisti iki 2 A). Gaminami laidai ir iš aukštatemperatūrių superlaidininkų daugiasluoksnių struktūrų, susidedančių iš keramikos, nerūdijančio plieno juostos ir kelių magnio oksido sluoksnių. Deja, dideles sroves tokie laidai gali praleisti tik atšaldžius juos iki 25 K, t. y. jie negali dirbti skysto azoto temperatūroje.
Mokslininkai dirba toliau. Dabar jų tikslas – superlaidumas kambario temperatūroje. Kol kas niekas neįrodė, kad tai neįmanoma. Vis dėlto, kol nesukurta aukštatemperatūrio superlaidumo išsami teorija, negalima prognozuoti, kokia kryptimi reikia judėti užsibrėžto tikslo link. Jei tokios medžiagos būtų atrastos, tai dabar net sunku numatyti, kiek smarkiai tai galėtų pakeisti mus supantį pasaulį.
