Mérföldkövek a szupravezetés történetében
2014/01/29 14:23
1026 megtekintés
A cikk már legalább egy éve nem frissült, az akkor még aktuális információk lehet, hogy mára elavultak.

A szupravezetés felfedezése után közel ötven év telt el, amíg megszületett a jelenséget értelmező elmélet. A szupravezetéshez vezető út első nagy állomása az alacsony hőmérséklet előállítása, hiszen az anyagok alacsony hőmérsékleten teljesen más tulajdonságokat mutatnak, mint amit megszokhattunk.

Az 1800-as végén kezdődtek azok a kutatások, amelyek a szupravezetés felfedezéséhez vezettek. A holland Heike Kammerling-Onnes került a Leideni Egyetem Fizika tanszékének élére és nem sokkal utána megalapította a leideni kísérleti fizikai laboratóriumot. Ekkor ő volt az egyetlen, aki úgy képzelte el, hogy külön részleget hoz létre a termodinamika, elektromosság, mágnesség és az optikai kísérletek elvégzésére.  A laborhoz létrehozott egy készüléképítő és egy üvegműves iskolát is, így ez a labor volt az egyik legjobban felszerelt a világon, és szinte özönlöttek ide a kutatók a világ minden tájáról, hiszen magas színvonalú munkát végezhettek.

Onnes tíz éven keresztül tervezett munkatársaival egy nagy teljesítményű cseppfolyósító üzemet, ahol nitrogén, hidrogén és levegő cseppfolyósítása történt.

HEIKE_KAMERLINGH_ONNES_-_F_LOG__www.kepfeltoltes.hu_

A hélium cseppfolyósítása

A következő terv a hélium cseppfolyósítása volt, ezt azonban egy nagyon meglepő dolog akadályozta: nem állt rendelkezésre elég hélium. (A hélium a Föld légkörében csak nyomokban fordul elő, kb. 0,0005%. Nagy mennyiségben a földgáz kitermelése során állítható elő.) Egy kavicsbányából származó monazithomok segítette a tudóst, ugyanis kémikusok három év alatt annyi héliumot vontak ki a homokból, amellyel már elkezdődhettek a kísérletek.

A szakértők különböző hőmérsékleti értékeket jósoltak, mikor következik be a hélium cseppfolyósodása. Maga Onnes 5K hőmérséklet elérésekor várta a cseppfolyósodást, és a számítások szerint is 4-5 kelvinnel az abszolút nulla fok felett kellett bekövetkeznie a jelenségnek.

200px-High_tc

A kísérlet

Közel fél napon át üzemeltették a berendezést. A folyamat eredményeként  60 cm3 folyékony héliumot kaptak, amelynek előállításához 75 liter folyékony levegőt és 20 liter cseppfolyós hidrogént használtak fel. A sikeres kísérlet után Onnes már tudta, hogy mi a következő feladat, ami vár rá és kutatócsoportjára. Meg kell ismerniük  a folyékony hélium mágneses tulajdonságait, elektromos vezetőképességét és más sajátosságait, amelyek alacsony hőmérsékleten jelentősen megváltoznak.

A héliumgőz kiszivattyúzásával érte el az addigi legalacsonyabb, 1,04 K-es hőmérsékletet, és meglepetésére a hélium még mindig nem fagyott meg, ekkor abbahagyta a hőmérséklet további csökkentését és elkezdte vizsgálni az anyagok különböző tulajdonságait az ultra-alacsony hőmérsékleteken. A vizsgálatok során talán legérdekesebbnek az anyagok elektromos ellenállásának hirtelen csökkenése látszott. Ez került a kutatásai fókuszába, további kísérleteket végzett az elektromos ellenállás megváltozásával kapcsolatban, majd a fémek mágnesezhetőségének és fajhőjének alakulását vizsgálta a folyékony hélium hőmérsékletén.

Az eredmények hatása - a szupravezetés elmélete

Természetesen a kutatókat is lázba hozták az eredmények, több elmélet is napvilágot látott. A német Walther Nerst fizikus elmélete szerint a tiszta fémek ellenállása az abszolút hőmérsékleti skála nulla pontján teljesen megszűnik. Lord Kelvin hipotézise szerint az abszolút zérus “az anyag halálát” jelenti, és ezen a hőmérsékleten az ellenállás végtelenül nagy. Onnes a két elmélet közül az általa elvégzett kísérletek alapján egyikkel sem értett egyet. Kelvinét teljes mértékben elvetette, és Nerst-tel sem értett teljes mértékig egyet, így saját elméletet alkotott.

superconductors-turn-100_1 A platinával végzett kísérletek után arannyal végeztek további kísérleteket, de a szennyeződések miatt végül a higany következett, mert ezt még az aranynál is tisztább állapotban lehetett előállítani. Az eredményeket 1911. április 28-án jelentették be a Holland Királyi Akadémiának, ekkor Onnes beszámolt arról, hogy a higany, valamint egy nagyon tiszta aranyminta olyan kis ellenállásúvá vált a "hélium-hőmérsékletén", hogy azt már nem képesek műszereikkel kimutatni. További méréseik eredménye már pontos hőmérsékletértékeket is eredményezett, a 4,19 K hőmérsékletűre lehűlt szilárd higany elektromos ellenállása hirtelen lecsökkent,  a galvanométer már nem mutatott ki semmilyen ellenállást, azaz 4,19 K-en a higany elektromos ellenállása egyszerűen eltűnt.

Nobel-díj és új távlatok

1913-ban a fizikai Nobel-díjat az akkor hetven éves Heike Kamerlingh-Onnes kapta „az anyagok alacsony hőmérsékleten mutatott tulajdonságaira irányuló kutatásaiért”. A díj kapcsán nem említették azt, hogy Onnes fedezte fel a szupravezetést.

A díszelőadáson azonban Onnes beszélt a szupravezetésről is, illetve a hélium rendkívül alacsony sűrűségére vonatkozó megállapításait is említette, és azt mondta, hogy ha ezeket a jelenségeket meg tudják magyarázni, „akkor össze lehet majd kapcsolni azokat a kvantumelmélettel”.

További érdekes oldalak:

Zsigó Zsolt cikke

Csoportot ajánlunk

Kapcsolódó oldalak

Scientix A természettudományos oktatás közössége
All you need is code Minden a kódolás tanulásáról
A National Geographic A National Geographic honlapja.
Interpress Magazin Az IPM honlapja archívummal
Világtudomány.hu A magyar és nemzetközi tudományos élet hírei
Űr világ Asztronautikai hírportál