U svetu niskih temperatura

Kako je pre dve nedelje saopšteno iz Stokholma, Nobelova nagrada za fiziku u 2003. godini otišla je u ruke trojici istinskih pionira čitave jedne oblasti izučavanja moderne fizike. Nagradu će ravnopravno podeliti Aleksej A. Abrikosov, Vitalij L. Ginzburg i Entoni J. Leget „za pionirski doprinos razvoju teorija superprovodnosti i superfluidnosti“, kako je rečeno u saopštenju Nobelovog komiteta. Po ustaljenom običaju, laureatima Nobelove nagrade sleduje po trećina sume od deset miliona švedskih kruna (1,1 milion evra), Nobelova medalja i diploma, koje će im tradicionalno biti dodeljene na dan Nobelove smrti, 10. decembra, na svečanosti u Švedskoj kraljevskoj akademiji nauka. Imena ovogodišnjih laureata odavno su poznata među fizičarima, a njihovi rezultati odigrali su presudnu ulogu u izučavanju superprovodnosti i superfluidnosti. Zato teško da ima bilo kakve sumnje u opravdanost ovogodišnje odluke Nobelovog komiteta (što je ponekad slučaj, ali, istina, mnogo ređe u fizici nego u drugim oblastima). Abrikosov, Ginzburg i Leget nisu ni prvi ni jedini fizičari nagrađeni za rad u fizici niskih temperatura, što je sasvim razumljivo, budući da su čudesna otkrića u ovoj oblasti obeležila razvoj fizike tokom druge polovine XX veka. Istorija istraživanja neobičnih karakteristika materijala na izuzetno niskim temperaturama, započeta još davne 1911. godine, zanimljiva je priča o prvorazrednoj intelektualnoj avanturi, u kojoj su učestvovali najveći naučnici minulog veka, a koja, po svemu sudeći, još nije završena.

SuperpRovodnici: Kada električna struja protiče kroz neki provodnik, u njemu se, usled interakcije pokretnih nosilaca naelektrisanja sa okolinom unutar provodnika javlja električni otpor, koji je, između ostalog, zavisan i od temperature provodnika. Postojanje veze između temperature i električnog otpora otkriveno je još na početku izučavanja električnih pojava, a zapravo, nije neophodno biti fizičar, pa ni samo upućen u fiziku da bi se uočila nekakva povezanost otpora u provodniku i njegove temperature (dovoljno je samo uključiti električni rešo). S druge strane, nekakav električni otpor karakteriše svaki protok električne struje, bila to struja kroz termičku zavojnicu u rešou, volframsku žicu u sijalicama, integralna kola u mikroprocesoru ili neuronske završetke u mozgu. Međutim, na vrlo niskim temperaturama, kod nekih materijala naprosto iščezava otpor. Takvo stanje naziva se superprovodno, a temperatura ispod koje se to događa temperatura prelaza. Kod većine materijala ta temperatura je ispod 20K (-253oC), što je blisko apsolutnoj nuli od 0K (-273,15oC). Tada, na ovim naročito niskim temperaturama, električna struja može teći kroz provodnik bez ikakvih gubitaka. Analogna pojava ovoj jeste superfluidnost, koja podrazumeva osobinu nekih tečnih jedinjenja da na niskim temperaturama teku bez otpora (kod superfluidnih supstanci posebno fascinira to što se teško mogu zadržati u bilo kakvom sudu, jer zbog nepostojanja otpora isteknu kroz zidove).

Naobično otkriće: Do otkrića superprovodnosti došlo se skoro slučajno. Holandski fizičar Heike Kamerling Ones (1853–1926), posebno zainteresovan za ponašanje materije blizu apsolutne nule, sproveo je početkom XX veka niz eksperimenata u kojima je uspešno ohladio veći broj supstanci na izuzetno nisku temperaturu. Uspeo je da dostigne 4K (-2690C), temperaturu na kojoj helijum, uobičajeno gasovit, prelazi u tečno stanje. Mada današnja postignuća koja idu ispod 0,001K čine da najniže temperature Kamerling Onesa izgledaju prilično „toplo“, njegov rezultat od pre sto godina sam je po sebi fascinantan, budući da se najniže temperature na Zemlji skoro nikada prirodno ne spuštaju ispod 203K (-700C). U vezi ss tim, pojedini fizičari smatraju da je trka ka niskim temperaturama jedno od najupečatljivijih dostignuća ljudske civilizacije i da bi se njime ljudi mogli s ponosom pohvaliti nekoj eventualnoj drugoj civilizaciji. Kako bilo, Kamerling Ones je 1911. godine pored drugih supstanci ohladio i živu na temperaturu tečnog helijuma od 4K i tom prilikom uočio jednu neobičnu pojavu – u živi se na ovako niskoj temperaturi nije javljao električni otpor, što je bilo šokantno otkriće. Kamerling Ones je taj fenomen nazvao superprovodnost, a za svoj rad je već 1913. godine dobio Nobelovu nagradu, prvu u nizu dodeljenih za oblast niskih temperatura. Kada je bilo otkriveno kod žive, otpočela je potraga za drugim materijalima koji pokazuju svojstvo superprovodnosti i do danas je otkriveno oko 25 drugih elemenata, uključujući većinu metala, i više hiljada raznih legura i hemijskih jedinjenja. Svi oni prelaze u superprovodno stanje kada se ohlade na dovoljno nisku temperaturu, ali imaju i druga svojstva koja su dugo bila predmet intenzivnog izučavanja od strane fizičara. Posebno je zanimljivo ponašanje superprovodnika u magnetnom polju. Kamerling Ones je prvi primetio da se oni mogu vratiti u normalno (nesuperprovodno) stanje, ne samo ako im se temperatura vrati iznad temperature prelaza već i ako se kroz njih propusti struja dovoljno velike jačine ili pak ako se superprovodnik postavi u dovoljno jako magnetno polje.

Majsnerov efekat: Duži niz godina posle otkrića Onesa Kamerlinga smatralo se da superprovodnici, osim što gube otpornost ispod neke temperature, imaju ostale osobine iste kao i „normalni“ materijali, ali se sredinom tridesetih godina to uverenje pokazalo kao neosnovano. Presudnu ulogu u tome odigralo je otkriće iz 1933. godine da superprovodnici, za razliku od „normalnih“ materijala, sprečavaju spoljašnje magnetno polje da prodre u njihovu unutrašnjost i po tome su savršeni dijamagnetici. Ovaj fenomen potpunog istiskivanja magnetnog polja iz superprovodnika (koje se zapaža dok god magnetno polje nije suviše veliko da vrati superprovodnik u normalno stanje) nazvan je Majsnerov efekat. Njegovo otkriće omogućilo je da se već naredne godine formuliše fenomenološka teorija elektromagnetnih osobina superprovodnika, koja je eksperimentalno potvrđena 1939. godine. Za potpuno, fundamentalno objašnjenje Majsnerovog efekta i superprovodnosti, koje je uzimalo u obzir kvantnu prirodu nosilaca naelektrisanja u superprovodniku, moralo se ipak sačekati do pedesetih godina XX veka, kada je konačno stvorena takozvana BSC teorija. Prvi korak ka njoj učinila su dvojica ruskih fizičara, ovogodišnji leureat nagrade Vitalij L. Ginzburg i slavni Lav L. Landau (nagrađen Nobelovom nagradom 1962. za jedan drugi rad). Oni su 1950. godine predstavili nov model superprovodnosti, koji je podrazumevao da se unutar superprovodnika javlja kvantizacija magnetnog fluksa (što je 1961. godine potvrđeno eksperimentom), čime su pojašnjene mnoge elektromagnetne osobine superprovodnih materijala. Na osnovu ovog modela, 1957. godine, američki fizičari Džon Bardin, Leon N. Kuper i Džon R. Šrajfer stvorili su kvantnu teoriju superpovodnosti (nazvana BSC prema njihovim imenima) i zahvaljujući ovom rezultatu sva trojica su 1972. godine bili nagrađeni Nobelovom nagradom. Ova teorija, presudna za potonji razvoj fizike niskih temperatura, objašnjavala je razliku između ponašanja „normalnih“ provodnika i superprovodnika, time što su kod normalnih provodnika nosioci naelektrisanja obični elektroni, a kod superprovodnika parovi elektrona – takozvani Kuperovi parovi, kvantno-mehanički međusobno povezani.

Dva tipa superprovodnika: Prema ponašanju u magnetnom polju, postoje dva tipa superprovodnika. Kod tipa I, spoljašnje magnetno polje biva sasvim istisnuto iz unutrašnjosti superprovodnika, a kod tipa II istiskivanje je samo delimično. Rad Ginzburga i ostalih fizičara na BSC teoriji zapravo je bio sveden na objašnjenje tipa I, jer se u vreme nastanka BSC teorije znalo samo za ovaj tip, dok je tip II tek kasnije otkriven i opisan. Najzaslužniji za egzaktan opis II tipa superprovodnika je drugi od ovogodišnjih laureata, Aleksej Abrikosov, koji je svojevremeno proširio BSC teoriju, tako da obuhvati i tip II, čime je fenomen superprovodnosti bio do kraja shvaćen i objašnjen. Potpuno zasnivanje fundamentalne teorije superprovodnosti pospešilo je dalji razvoj fizike niskih temperatura. Tokom sledeće dve decenije otkriveno je mnogo novih superprovodnih materijala, a sredinom osamdesetih godina i izvestan broj onih koji su osobinu superprovodnosti pokazivali na drastično višim temperaturama – umesto ispod 4K, ovi materijali postajali su superprovodni već na 30K, da bi danas bila poznata najviša temperatura prelaza od čak 134K (-139oC). Takvi materijali nazvani su visoko–temperaturni superprovodnici, a otkrili su ih Georg Bednorz i Aleks Miler među oksidima metala, za šta su 1987. godine nagrađeni Nobelovom nagradom. Postojanje ovakvih materijala (svi su tipa II) najavilo je zanimljiv spektar primene superprovodnosti, pre svega zbog mogućnosti da se na temperaturi koja zapravo nije nedostižna čak i u komercijalnoj upotrebi, načine provodnici koji će prenositi električnu struju potpuno bez gubitaka. Zbog svojih specifičnih osobina, superprovodnici, ipak, otvaraju mogućnost i za mnoge druge, vrlo raznovrsne primene u razvoju novih tehnologija. Neke do njih su primene za medicinske magnetno-skenirajuće uređaje, sisteme za magnetno skladištenje energije, motore, generatore, transformatore, računarske delove i vrlo osetljive merne uređaje za određivanje napona, struja i magnetnih polja. Glavne prednosti za primenu superprovodnika u ovim uređajima jesu odsustvo potrošnje energije, njihova velika brzina i visoka osetljivost, a ove dobre karakteristike u takvoj su nesrazmeri sa osobinama materijala koje je čovek do sada koristio, da je zapravo nezamislivo kakve će sve nove i moćne tehnologije pospešiti dalji razvoj fizike niskih temperatura. Pojava superprovodnosti, kao i superfluidnosti, nesumnjivo spada u fenomene čija će samo dosadašnja spoznaja i upotreba doneti u nedalekoj budućnosti velike pozitivne potrese kako među naučnicima tako i u ostatku civilizacije.