Kodėl kai kurios medžiagos gali praleisti elektrą be pasipriešinimo?

Kartais elektra elgiasi taip, lyg būtų radusi visiškai lygų kelią. Įprastame laide dalis energijos pakeliui virsta šiluma, todėl telefonų įkrovikliai šyla, elektros tinklai praranda dalį energijos, o galingi įrenginiai reikalauja sudėtingo aušinimo. Tačiau laboratorijose ir kai kuriuose techniniuose įrenginiuose srovė gali tekėti visiškai kitaip – be įprasto „trynimosi“. Kas nutinka medžiagai, kai elektronai staiga nustoja elgtis taip, kaip esame įpratę?

Kai pasipriešinimas tiesiog išnyksta

Elektros pasipriešinimas atsiranda todėl, kad judantys elektronai susiduria su medžiagos atomais, jų virpesiais, priemaišomis ir kitais elektronais. Kiekvienas toks susidūrimas šiek tiek trikdo krūvininkų judėjimą. Dalis elektros energijos išsiskiria šilumos pavidalu – būtent todėl laidai įkaista, kai jais teka didelė srovė.

Kai kurios medžiagos tam tikromis sąlygomis pereina į ypatingą būseną, vadinamą superlaidumu. Svarbiausia sąlyga paprastai yra labai žema temperatūra. Pasiekus konkrečiai medžiagai būdingą kritinę temperatūrą, jos elektrinė varža staiga nukrinta iki praktiškai nulinės reikšmės.

Tai nėra tiesiog labai geras laidumas. Varis ar sidabras elektrą praleidžia puikiai, tačiau jų pasipriešinimas niekada visiškai nedingsta. Superlaidininke srovė gali cirkuliuoti ilgą laiką, beveik neprarasdama energijos. Eksperimentuose stebėtos srovės, kurios išlieka metų metus, nes jų nestabdo įprasti elektriniai nuostoliai.

Vis dėlto toks reiškinys nėra besąlyginis. Jei medžiaga per daug įkaista, ją veikia per stiprus magnetinis laukas arba teka pernelyg didelė srovė, superlaidumas gali išnykti. Tuomet medžiaga grįžta į įprastą būseną, o pasipriešinimas vėl atsiranda.

Elektronai ima veikti poromis

Ilgą laiką atrodė sunku paaiškinti, kaip elektronai, kurie vienas kitą stumia, gali judėti taip darniai. Atsakymas susijęs su vadinamosiomis Kuperio poromis – elektronų poromis, kurios superlaidžioje medžiagoje ima veikti kaip vientisas kvantinis darinys.

Įprastai elektronai juda gana chaotiškai ir dažnai susiduria su kristalinės gardelės virpesiais. Tačiau itin žemoje temperatūroje medžiagos atomų judėjimas sulėtėja. Tam tikromis sąlygomis vienas elektronas gali šiek tiek paveikti kristalinę gardelę ir sudaryti palankesnes sąlygas kitam elektronui. Taip susiformuoja silpna, bet svarbi sąveika, susiejanti abu elektronus.

Šios poros juda ne pavieniui, o koordinuotai. Jų elgesį aprašo ne kasdienė, o kvantinė fizika. Didelė elektronų porų grupė gali patekti į bendrą kvantinę būseną, kurioje įprasti susidūrimai nebesustabdo kiekvieno krūvininko atskirai. Kad srovė būtų išsklaidyta ir virstų šiluma, visą šią tvarkingą būseną reikėtų sutrikdyti.

Superlaidžioje medžiagoje tarp galimų energijos būsenų atsiranda tam tikras tarpas. Nedidelis išorinis poveikis nebegali lengvai pakeisti elektronų porų judėjimo, todėl srovė teka be įprastų nuostolių. Kitaip tariant, medžiaga ne tik praleidžia elektronus – ji pakeičia patį jų judėjimo režimą.

Šaltis ir magnetinis laukas tampa lemiami

Pirmasis superlaidumas buvo aptiktas dar 1911 metais, kai olandų fizikas Heikė Kamerlingas Onesas tyrė gyvsidabrį, atšaldytą skystu heliu. Temperatūrai nukritus žemiau maždaug 4,2 kelvino, gyvsidabrio varža staiga dingo. Tai buvo netikėtas rezultatas, nes tuo metu niekas dar neturėjo aiškaus paaiškinimo, kaip toks reiškinys įmanomas.

Šiandien žinoma daug superlaidžių medžiagų, tačiau jų kritinės temperatūros skiriasi. Kai kurioms reikia temperatūrų, artimų absoliučiam nuliui – žemiausiai teoriškai įmanomai temperatūrai. Kitos, vadinamos aukštatemperatūriais superlaidininkais, veikia santykinai aukštesnėje temperatūroje, nors praktikoje jos vis tiek dažnai turi būti aušinamos skystu azotu ar kita kriogenine sistema.

Superlaidumas susijęs ne tik su šalčiu. Šios medžiagos gali išstumti magnetinį lauką iš savo vidaus. Reiškinys vadinamas Meisnerio efektu. Dėl jo magnetas virš superlaidininko gali levituoti, o pats superlaidininkas tarsi „užsirakinti“ virš magnetinio bėgio. Būtent šis efektas leidžia kurti įspūdingus traukinių prototipus ir tiksliai valdyti magnetinius laukus.

Tačiau per stiprus magnetinis laukas gali suardyti elektronų porų būseną. Tas pats nutinka, jei viršijama kritinė srovė arba temperatūra. Todėl realūs įrenginiai turi būti kruopščiai suprojektuoti: pakanka nedidelio sutrikimo, kad superlaidžioji sistema staiga prarastų savo savybes.

Kur šis reiškinys jau naudojamas

Superlaidininkai nėra vien laboratorinis smalsumas. Jie naudojami magnetinio rezonanso tomografijos aparatuose, kuriuose reikia sukurti labai stiprų ir stabilų magnetinį lauką. Tokie magnetai gali veikti ilgai, nes jų ritėse tekanti srovė beveik nepraranda energijos.

Panašūs sprendimai taikomi dalelių greitintuvuose, įskaitant didžiuosius fizikos tyrimų centrus. Superlaidžios ritės padeda nukreipti ir greitinti daleles, o įprastomis medžiagomis tokio stiprumo magnetinius laukus sukurti būtų gerokai sunkiau ir brangiau.

Superlaidininkai taip pat svarbūs kuriant itin jautrius matavimo prietaisus, kvantinius kompiuterius, energijos kaupimo sistemas ir magnetinės levitacijos transportą. Vis dėlto plačiam naudojimui trukdo aušinimo kaina, trapumas ir sudėtinga įranga. Net medžiaga, kuri pati nepraranda energijos, vis tiek reikalauja energijos jos tinkamai temperatūrai palaikyti.

Dėl to mokslininkai ieško superlaidininkų, kurie veiktų kuo aukštesnėje temperatūroje, būtų atsparūs stipresniems laukams ir išliktų stabilūs praktiškomis sąlygomis. Jei tokios medžiagos taps patikimos ir lengvai pagaminamos, jos galėtų pakeisti elektros tinklus, transportą bei daugelį galingų technologijų.

Superlaidumas primena, kad elektros kelias nėra vien laidų ir baterijų klausimas. Pakeitus temperatūrą, magnetinį lauką ir pačią medžiagos kvantinę būseną, įprastos fizikos taisyklės kasdienėje patirtyje ima atrodyti visai kitaip. Todėl medžiaga, kurią įprastai laikytume tiesiog laidininku, tam tikromis sąlygomis gali tapti beveik tobulu energijos keliu.