Kas yra superlaidumas ir kodėl mokslininkai jo taip siekia?

Įsivaizduokite, kad elektros srovė teka laidu taip, lyg automobilis riedėtų idealiai lygiu keliu – be kamščių, be trinties ir be jokio stabdymo. Įprastuose laiduose tai neįmanoma: dalis energijos pakeliui virsta šiluma, todėl kaista telefonų įkrovikliai, elektros tinklų kabeliai ir pramonės įranga. Tačiau laboratorijose egzistuoja medžiagų, kurios tam tikromis sąlygomis elgiasi taip, tarsi fizikos taisyklės būtų trumpam pakeistos.

Elektra be pasipriešinimo

Superlaidumas – tai reiškinys, kai tam tikra medžiaga, atvėsinta žemiau kritinės temperatūros, praranda elektrinę varžą. Kitaip tariant, joje tekanti elektros srovė nepatiria įprasto energijos nuostolio. Jei tokioje uždaroje grandinėje būtų sukurta srovė, teoriškai ji galėtų tekėti nepaprastai ilgai, nes energija nebūtų eikvojama laidininko kaitinimui.

Įprastuose metaluose elektros srovę pernešantys elektronai susiduria su atomų gardelės virpesiais, priemaišomis ir kitais trikdžiais. Dėl šių susidūrimų dalis elektros energijos virsta šiluma. Tai vadinama elektrine varža. Būtent dėl jos elektros perdavimo linijose prarandama dalis energijos, o elektroniniai prietaisai turi būti aušinami.

Superlaidininke padėtis iš esmės kitokia. Tam tikroje temperatūroje elektronai gali susijungti į vadinamąsias Kuperio poras. Nors elektronai paprastai vienas kitą stumia, kristalinės gardelės virpesiai gali sudaryti sąlygas jiems judėti poromis. Šios poros ima elgtis kolektyviai – ne kaip pavienės dalelės, o kaip vientisa kvantinė sistema. Dėl to jos gali judėti medžiaga nepatirdamos įprastos varžos.

Pirmą kartą superlaidumą 1911 metais pastebėjo olandų fizikas Heike Kamerlingh Onnes. Tyrinėdamas gyvsidabrį itin žemoje temperatūroje, jis nustatė, kad jo elektrinė varža staiga nukrito iki praktiškai neišmatuojamos reikšmės. Šis atradimas tapo vienu svarbiausių kvantinės fizikos istorijoje.

Magnetas, kuris gali „plūduriuoti“

Superlaidumas pasižymi ne tik nuline elektrine varža. Kita svarbi jo savybė – Meisnerio efektas. Įjungus superlaidžią būseną, medžiaga išstumia iš savęs magnetinį lauką. Dėl to superlaidininkas gali būti atstumtas nuo magneto ir pakibti virš jo.

Šis reiškinys dažnai demonstruojamas moksliniuose centruose: nedidelis superlaidininko gabalėlis, atvėsintas skystuoju azotu, ima slysti virš magnetinio takelio. Vaizdas primena magiją, tačiau už jo slypi griežti elektromagnetizmo dėsniai. Magnetinis laukas ir superlaidininkas sukuria stabilią sistemą, kurioje objektas gali išlikti pakibęs arba judėti beveik be trinties.

Šis principas jau pritaikytas transporto technologijose. Magnetinės levitacijos traukiniai, vadinami maglevais, gali judėti virš bėgių, nes jų nereikia fiziškai liesti. Sumažėja mechaninė trintis, todėl galima pasiekti didelį greitį ir sumažinti kai kuriuos energijos nuostolius. Vis dėlto tokiai sistemai reikia galingų magnetų, sudėtingos infrastruktūros ir nuolatinio aušinimo, todėl ji kol kas nėra tapusi įprasto geležinkelio pakaitalu.

Kodėl tai svarbu medicinai, energetikai ir mokslui

Vienas geriausiai žinomų superlaidumo pritaikymų – magnetinio rezonanso tomografija. MRT aparatuose naudojamos superlaidžios ritės, sukuriančios stiprų ir stabilų magnetinį lauką. Šis laukas leidžia išsamiai matyti žmogaus kūno audinius ir padeda gydytojams diagnozuoti įvairias ligas, nepasitelkiant jonizuojančiosios spinduliuotės.

Superlaidūs magnetai taip pat naudojami dalelių greitintuvuose, įskaitant Didįjį hadronų greitintuvą. Jie padeda valdyti ir nukreipti dalelių pluoštus, kuriems būtini ypač stiprūs magnetiniai laukai. Be tokių sistemų nebūtų įmanoma atlikti daugelio šiuolaikinės dalelių fizikos eksperimentų.

Energetikoje superlaidūs kabeliai galėtų perduoti daugiau elektros energijos mažesniais nuostoliais. Tai ypač aktualu tankiai apgyvendintuose miestuose, kur tradicinių kabelių pajėgumai riboti. Superlaidūs generatoriai ir varikliai galėtų būti mažesni bei efektyvesni, o galingi superlaidūs magnetai galėtų padėti kurti branduolių sintezės reaktorius.

Tačiau čia slypi pagrindinė kliūtis. Dauguma žinomų superlaidininkų veikia tik labai žemoje temperatūroje – dažnai vos kelių dešimčių laipsnių virš absoliutaus nulio. Tokį šaltį palaikyti reikia sudėtingų kriogeninių įrenginių, kurie patys sunaudoja daug energijos ir kainuoja brangiai.

Aukštos temperatūros superlaidininkų paieška

Mokslininkai labiausiai siekia sukurti superlaidininką, kuris veiktų įprastomis sąlygomis arba bent jau temperatūroje, kurią būtų praktiška pasiekti nebrangiu aušinimu. Toks atradimas pakeistų daugybę sričių: elektros tinklus, transportą, kompiuteriją, medicinos įrangą ir pramonę.

1986 metais atrasti vario oksidų pagrindo aukštos temperatūros superlaidininkai sukėlė didžiulį proveržį. Jie veikė aukštesnėje temperatūroje nei anksčiau žinomos medžiagos, nors vis dar reikalavo aušinimo skystuoju azotu. Vėliau mokslininkai tyrė geležies junginius, vandenilio turinčias medžiagas ir kitus egzotiškus cheminius derinius.

Kai kurie vandenilio pagrindo junginiai aukštą kritinę temperatūrą pasiekė tik veikiami milžiniško slėgio. Tai svarbus įrodymas, kad teoriškai superlaidumas gali egzistuoti gerokai šiltesnėmis sąlygomis, tačiau praktiškai tokios medžiagos kol kas netinka kasdieniams prietaisams. Ypač daug dėmesio sulaukia teiginiai apie kambario temperatūros superlaidumą, tačiau tokie rezultatai turi būti nepriklausomai pakartoti ir patikimai patikrinti.

Šios paieškos sudėtingos todėl, kad superlaidumas priklauso nuo daugybės tarpusavyje susijusių veiksnių: medžiagos sandaros, slėgio, magnetinio lauko, elektronų sąveikos ir temperatūros. Tyrėjams reikia ne tik rasti tinkamą junginį, bet ir suprasti, kodėl jis veikia. Tik tada būtų galima kryptingai kurti medžiagas, o ne vien atsitiktinai jų ieškoti.

Jei pavyktų sukurti stabilų superlaidininką, veikiantį be ypatingo aušinimo, elektra galėtų būti perduodama beveik be nuostolių, o galingi magnetai taptų prieinami daug platesniam technologijų ratui. Todėl superlaidumas mokslininkams nėra vien įspūdingas laboratorinis triukas – tai galimas kelias į taupesnę energetiką, greitesnį transportą ir naujos kartos medicinos bei skaičiavimo sistemas.