náhled|Elektrické kabely pro CERN: nahoře – běžná kabeláž pro LEP, dole – supravodivá kabeláž pro LHC. náhled|Supravodič levitující nad magnety náhled|Supravodivý magnet
Supravodivost je jev kvantové mechaniky, při němž materiál ochlazený pod svou kritickou teplotu (TC) vede elektrický proud bez odporu, takže se žádná energie neztrácí přeměnou na Jouleovo teplo. Supravodič také vykazuje ideální diamagnetizmus – uvnitř svého objemu zcela kompenzuje vnější magnetické pole, takže trvale vypuzuje magnetické siločáry ven.
Supravodiče se používají zejména ve vinutích silných elektromagnetů, které dosahují magnetické indukce v řádu jednotek až desítek tesla.
Historie, objev supravodivosti
Heike Kamerlingh-Onnes Supravodivost objevil v roce 1911 nizozemský fyzik H. Kamerlingh-Onnes, když se mu tři roky předtím podařilo zkapalnit helium a umožnit tak zchlazování látek na teplotu 4,2 K za normálního tlaku. Tím se otevřela cesta k výzkumu ve fyzice nízkých teplot. Rozhodl se provést měření elektrického odporu platiny a zlata. Odpor s teplotou klesal. Nejvíce však klesl k malé hodnotě zbytkového odporu, a to i v nejčistších vzorcích (zbytkový odpor přičítal nečistotám). Proto si vybral nakonec rtuť, která se dala opakovanými destilacemi zbavit všech příměsí a nečistot. Zjistil náhlý spád odporu rtuti na nulu. Tento jev látky s nulovým odporem byl pojmenován supravodivost. Supravodivost byla nadále zjištěna například u olova a cínu nebo niobu, u dobrých vodičů elektrického proudu jako je zlato a platina nebyla supravodivost zjištěna ani při teplotě 40 μK.
Teplota, při které látka přechází z normálního do supravodivého stavu, se nazývá kritická teplota Tc. Onnes ukázal, že proud tekoucí supravodivým závitem přetrvává i bez externího zdroje po velmi dlouhou dobu. Známý je jeho experiment, kdy připravil závit protékaný proudem ve své laboratoři v Leidenu a odvezl ho i s chladicím zařízením do Cambridge, kde na přednášce demonstroval supravodivost. Proud v závitu i po převozu stále tekl.
Meissnerův-Ochsenfeldův jev
náhled|Video s Meissnerovo-Ochsenfeldovým jevem, kdy supravodič (černý váleček) nadnáší magnet NdFeB (stříbrný disk) V roce 1933 objevili Walther Meissner a Robert Ochsenfeld, že supravodiče vytlačují ze svého objemu magnetické pole a supravodič je tak ideálním diamagnetikem (platí pro supravodiče I. typu). Vyvrátili tím jednoduchou představu o supravodiči jen jako vodiči s nulovým elektrickým odporem. V klasické fyzice z ideální vodivosti vyplývá kompenzování všech změn magnetického pole (Faradayův zákon), ale vytlačování statického pole lze vysvětlit pouze pomocí kvantové mechaniky. Bylo zjištěno, že se supravodivé vlastnosti materiálu vytratí při překročení určité síly magnetického pole, jehož hodnota se značí Bc. Tento jev lze odvodit z teorie Londonů.
BCS Teorie
Podstata teorie U vodičů a polovodičů v normálním stavu vzájemné působení mezi elektrony a fonony způsobuje elektrický odpor. Elektrony, které nesou elektrický náboj, narážejí na příměsi v krystalové mřížce a rozptylují se na kmitech krystalové mřížky. Proto jsou kovy, které jsou dobrými supravodiči, v normálním stavu špatnými vodiči. V supravodivém stavu zjednodušeně vytvoří elektron při pohybu krystalovou mřížkou kladně nabitou oblast, kam je přitahován druhý elektron. Tato dynamická vazba nastává mezi dvěma elektrony a vytvoří se tak vázaný pár elektronů. Každý z těchto tzv. Cooperových párů je tvořen dvěma elektrony.
Vlastností Cooperových párů je, že není možné, aby se jeden Cooperův pár choval nezávisle na ostatních, tzv. koherence. Supravodivost je důsledkem toho, že se Cooperovy páry chovají jako celek. Zatímco srážky elektronů a fononů jsou v normálním stavu nezávislé, v supravodiči jsou vzájemně vázané. Supravodivost je tedy spojena s vysokým stupněm uspořádání elektronů. Indukovaný elektrický proud zůstává v supravodiči až do té doby, dokud není supravodivý stav nějakým způsobem rozrušen. Autoři této teorie, podle nichž je také pojmenována, Bardeen, Cooper a Schrieffer, za ni obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1972.
BCS teorie nedokáže vysvětlit vznik supravodivosti u čistého bismutu za nízkých teplot.
Také pro párování elektronů, které je podstatou vysokoteplotní supravodivosti materiálů na bázi oxidů mědi, byly navrženy odlišné teoretické modely, které se podařilo v r. 2016 experimentálně potvrdit – vizte oddíl Vysokoteplotní supravodivost níže.
Supravodiče I. a II. typu Postupně bylo objeveno, že existují dva druhy supravodičů. První ztrácí supravodivé vlastnosti v silných magnetických polích a jsou to výhradně kovy. Takové supravodiče vysvětluje BCS teorie. Existují však také supravodiče II. typu – nejrůznější slitiny kovů i kompozitní materiály obsahující měď a nekovové složky, které supravodivé vlastnosti vykazují i ve velmi silných magnetických polích a ke ztrátě supravodivosti dochází při stokrát i vícekrát silnějších magnetických polích než u I. typu. Supravodiče I. typu byly objeveny dříve než II. typu, vysvětluje je BCS teorie, platí u nich supravodivé vlastnosti po dosažení menší teploty než Tc a dále pro ně platí Meissner-Ochsenfeldův jev, což znamená, že jsou také ideálními diamagnetiky. Supravodiče II. typu také dokonale odstíní slabá okolní magnetická pole, ale ne tak dokonale již silnější pole; ta odstíní jen částečně. Nejsou tedy dokonalými diamagnetiky.
Supravodiče I. typu, které nazýváme měkké supravodiče a které byly prozkoumány jako první, jsou kovy a jejich přímé slitiny. Supravodivost u tohoto typu ale nastává až při teplotách blízko absolutní nule, proto je nutné je chladit kapalným heliem. Zkapalňování helia je však poměrně nákladné.
Supravodiče II. typu stačí chladit kapalným dusíkem, který je o mnoho levnější. Proto znamenají supravodiče II. typu a z toho vyplývající vysokoteplotní supravodiče HTS materiál 21. století. Nejvyšší teplota, jaká je (prozatím) u HTS dosažena je 138 K (-135 °C). Tímto supravodičem je (Hg0,8Tl0,2)Ba2Ca2Cu3O8,33. Výroba supravodiče je poměrně snadná, ale složitější je výroba dlouhých drátů, které jsou potřeba pro aplikace.
Vysokoteplotní supravodivost
Vysvětlení pojmu Dále byla supravodivost zjištěna u mnoha dalších materiálů, v organických sloučeninách, v oxidech. Kritické teploty přechodu do supravodivého stavu v objevovaných materiálech nadále narůstaly. Nárůst kritické teploty narostl až do výše 23,2 K, ale dále se tato hranice nedařila prolomit. Proto se nadále musely chladit drahým kapalným heliem. Převratný krok přinesla až druhá polovina roku 1986 a rok 1987. Fyzikům se během této doby podařilo navýšit kritickou teplotu na 100 K u stabilních a všechna kritéria supravodivosti splňujících materiálů, u méně stabilních dokonce na teploty daleko větší.
První objevy Převratem ve vývoji supravodičů vodivých za vyšších teplot (vysokoteplotní supravodiče), u nichž by se nemuselo chladit kapalným heliem, se stal leden 1986. Výzkumníci z pobočky IBM Karl Alexander Müller a Johannes Georg Bednorz zjistili ve sloučenině La-Ba-Cu-O supravodivost při teplotě 13 K a výrazný pokles odporu již při 30 K. Ačkoliv jde o kritickou teplotu v rozmezí běžném pro klasické, heliem chlazené supravodiče, objev přinesl převrat v tom, že naznačil, že supravodivost lze hledat i u oxidů keramické povahy, jež se do té doby považovaly za izolanty. Dvojice Bednorz-Müller získala za tento objev v roce 1987 Nobelovu cenu. Jejich předpoklad se potvrdil, když se podařilo výzkumníkům univerzity v Tokiu a Houstonu vytvořit materiál na bázi LaBaCuO s kritickou teplotou 35 K. Ve stejnou dobu fyzici z Bellova komunikačního systému zvýšili na 40 K. Houstonské univerzitě se v lednu 1987 podařilo působením tlaku na materiál na bázi LaSrCuO zvýšit kritickou teplotu na 52 K.
Převratný objev Největší převrat ve vývoji keramických vysokoteplotních supravodičů však nastal během února 1987. Americký vědec čínského původu Chu Ching-wu z houstonské univerzity nahradil lanthan yttriem a u materiálu na bázi YBaCuO (YBCO) zjistil přechod k supravodivosti u kritické teploty nad 90 K. Téměř současně se výzkumníkům z jiných zemí a ústavů podařilo na materiálu se stejnou bází, ale jiným poměrným zastoupením zvýšit kritickou teplotu ke 100 K. Objev je převratný v tom, že umožnil náhradu dosavadního drahého a špatně manipulovatelného heliového chladicího systému běžně používanými systémy s kapalným dusíkem, jelikož kritická teplota překročila hranici 77 K – bodu varu dusíku.
Objev vyvolal explozi ve výzkumu, o supravodivost se začal zajímat celý svět. Tisíce vědců, fyzikové, chemici, technologové, elektronici a metalurgové začali věnovat vysokoteplotní supravodivosti velikou pozornost. Výzkumu vysokoteplotní supravodivosti se také dostala značná finanční podpora, jelikož vzhledem k předpokládaným revolučním změnám v technice v důsledku nových objevů ve vysokoteplotní supravodivosti, které by mohly přinést obrovské ekonomické úspory, chtějí být vyspělé státy či firmy u toho. Před tím, než byla objevena vysokoteplotní supravodivost, tedy dokud byly k dispozici pouze klasické supravodiče s kritickou teplotou do 23 K, uplatnila se supravodivost v praxi jen v zanedbatelné míře a většinou jen ve výzkumech či jen v aplikacích, kde byla nutná. Rozšíření komerčního využití nebylo ekonomicky možné, protože manipulace s tekutým heliem byla náročnou technologií. Vývoj supravodičů s kritickou teplotou vyšší než 77 K přinesl levnější a jednodušší možnosti chlazení. Kapalný dusík je mnohokrát levnější než kapalné helium, lze jej snadno získávat ze vzduchu a nevyžaduje tak nákladnou chladicí aparaturu a navíc má vyšší chladicí účinnost. náhled|Vzorek YBCO Jedním z problémů keramických supravodičů jako je YBaCuO je jejich krystalická struktura, což velmi znesnadňuje výrobu drátů z těchto materiálů. Dalším problémem je nízký kritický proud, tyto látky mají tendenci ztrácet supravodivost pod vysokými proudy.
Rekordy Postupně byla nalezena celá řada supravodivých materiálů postavených na tzv. 1-2-3 sloučeninách s chemickým vzorcem Y1Ba2Cu3O7−x nebo La1Ba2Cu3O7−x. Nejvyšší dosažená kritická teplota je 160 K. Byly dosaženy i podstatně vyšší kritické teploty (přes 300 K), jejich supravodivost má ale krátké trvání nebo mizí již při nepatrných proudových hustotách.
Výroba Příprava vysokoteplotních supravodivých keramik je snadná, avšak příprava kvalitních a využitelných supravodičů už tak lehká není. Výzkumu se hned v roce 1987 ujaly takové elektronické giganty jako je Toshiba, Hitachi či IBM. Od objevu vysokoteplotní supravodivosti je na toto téma publikováno zhruba 10 000 vědeckých prací ročně a byly objeveny i jiné než 1-2-3 struktury vykazující vysokoteplotní supravodivost.
Současné teorie Ani po dvaceti letech od první teorie není teorie supravodivosti ještě u konce. Každým rokem vznikají nové teorie a popisy, které jsou velmi složité. V roce 2003 získal Alexej Alexejevič Abrikosov Nobelovu cenu za teorii popisu supravodičů II. typu, což jsou nejrůznější slitiny kovů i kompozitní materiály obsahující měď a nekovové složky, které supravodivé vlastnosti vykazují i ve velmi silných magnetických polích a ke ztrátě supravodivosti dochází při stokrát i vícekrát silnějších magnetických polích než u I. typu. Současné cíle výzkumu vysokoteplotní supravodivosti chtějí především lépe poznat děje umožňujících Cooperovo párování elektronů. Dalším cílem je nalezení nejvyšší možné kritické teploty pro přechod do supravodivého stavu u keramik s rovinami Cu-O a překonat tak v tuto chvíli nejvyšší dosaženou kritickou teplotu 212 K. Nalézt i jiné materiály, které budou schopny vázat elektrony do Cooperových párů za ještě vyšších teplot, a zjistit jejich možnost existence dlouhotrvající supravodivosti za pokojové teploty.