Sto let od objevu supravodivosti – naděje pro 21. století

Jednou z nejslibnějších a nejatraktivnějších oblastí dnešní fyziky je nesporně supravodivost. Přestože tato výjimečná a podivná vlastnost pevných látek byla objevena již na počátku minulého století, trvalo mnoho desítek let, než ji bylo možné využít v praxi. Dnes se již každoročně vyrábějí desítky tisíc tun supravodivého materiálu. Skutečný den D pro supravodivost je však teprve před námi. Materiály, které se v praxi používají, jsou vesměs tzv. nízkoteplotní supravodiče, jejichž provoz – vzhledem k potřebě chladicího média – je značně nákladný. V mnoha ohledech jsou výhodnější tzv. vysokoteplotní supravodiče, jejichž systematický výzkum začal teprve nedávno.

Na počátku nového tisíciletí se nabízí otázka, zda se k současné moderní fyzice neblíží nová vědecká revoluce nebo potřeba vysvětlit rozporuplné experimentální poznatky a pozorování, které by donutily vědce nahradit dosavadní fyzikální pojmy a teorie novými a vytvořit úplně jiný fyzikální obraz světa. K tomu totiž došlo na přelomu 19. a 20. století, kdy ve světě i mezi renomovanými učenci převládal pocit uspokojení nad tím, že fyzika je „uzavřenou vědou", která už všechny otázky vyřešila a zákony přírody poznala.

Přišlo překvapení

V časech před sto lety, kdy se zdálo, že ani věda o elektřině a magnetismu již nemůže přinést žádná překvapení, objevil nizozemský fyzik obtížně vyslovitelného jména Heike Kamerlingh‑Onnes (1853‑1926) nový neočekávaný fyzikální jev zvaný supravodivost. Jde o makroskopický projev kvantové mechaniky. Supravodič při průchodu elektrického proudu nevykazuje žádný měřitelný odpor a proto se neuvolňuje žádné ohmické teplo. Dále, při přechodu do supravodivého stavu vytlačí vodič ze sebe pryč všechno magnetické pole a zůstává dokonalým diamagnetikem. Dochází k tomu při nejnižších teplotách – okolo absolutní nuly, tj. ‑273,16 °C.

Co vlastně tehdy zjistil tento vědec, někdejší doktorand na univerzitě v Heidelbergu u známých německých vědců R. W. Bunsena a G.R. Kirchhoffa, nazývaný později pro svůj šarm, chování vůči ostatním lidem a filantropii „gentlemanem absolutní nuly"?

Názory na změny elektrického odporu se různily

Již od poloviny třicátých let 19. století bylo známo, že elektrický odpor kovů klesá se snižující se teplotou. Protože však tehdy neexistovaly téměř žádné poznatky z kryogenní techniky, vytvořil se prostor pro vznik řady spekulativních představ o chování různých látek při velmi nízkých teplotách blížících se absolutní nule. Vynálezce termosky, fyzik a chemik James Dewar tvrdil, že elektrický odpor čistých kovů bude postupně klesat k nulové hodnotě, které dosáhne právě při absolutní nule. Jiná skupina teoretiků, kam patřil např. lord Kelvin, předpokládala, že elektrický odpor bude se snižující se teplotou klesat až po určitou kritickou hodnotu, ale potom s dalším poklesem teploty bude odpor opět narůstat.

Heike Kamerlingh‑Onnes měřil odpor rtuti ve zkapalněném heliu

Na konci 70. let 19. století francouzský fyzik Louis‑Paul Cailletet, Švýcar Raoul‑Pierre Pictet a již zmíněný Skot James Dewar při velmi nízkých teplotách zkapalňovali postupně vzduch, kyslík, dusík a vodík. Nejdéle odolával vzácný plyn helium; ten se podařilo zkapalnit až v roce 1908 při teplotě ‑269 stupňů Celsia profesoru experimentální fyziky a meteorologie na univerzitě v Leidenu, zakladateli a dlouholetému řediteli zdejší kryogenní laboratoře, Heike Kamerlingh‑Onnesovi. Ten zkoumal experimentálně vlastnosti látek při velmi nízkých teplotách a roce 1911 s překvapením zjistil, že měrný elektrický odpor velmi čisté rtuti (vyčištěné opakovanými destilacemi) zcela vymizel. Kromě rtuti pozoroval Kamerlingh‑Onnes tento jev i u cínu, olova, india a dalších kovů (dnes se uvádí, že podobné vlastnosti má 26 prvků) a jejich slitin (niob s titanem aj.). Objevil tak nový fyzikální jev, který při své nobelovské přednášce v roce 1913 ve Stockholmu nazval supravodivým stavem.

Vezl proud z Leidenu do Cambridge

Výsledky svého výzkumu Kamerlingh‑Onnes ihned publikoval v Procedings of the Royal Academy of Sciences of Amsterdam a jeho pracoviště se brzy stalo místem stáží mnoha zahraničních vědců a techniků. Teplota, při které látka přechází z normálního do supravodivého stavu, se nazývá kritická a je charakteristická pro daný materiál. Onnes ukázal, že proud tekoucí supravodivým závitem přetrvává i bez externího zdroje po velmi dlouhou dobu. Známý je jeho pokus, kdy ochladil závit protékaný proudem ve své laboratoři v Leidenu, odvezl ho i s chladicím zařízením do anglické Cambridge a tam při univerzitní přednášce demonstroval supravodivost. Proud v závitu i po převozu stále tekl s nezmenšenou intenzitou. Zjistil i to, že supravodivost lze beze změny teploty odstranit magnetickým polem, přičemž materiál skokem získá nenulový ohmický odpor.

Problém s chlazením

Holandský vědec si okamžitě uvědomil obrovský význam svého objevu. Elektrický proud by se v supravodivých drátech nebo kabelech šířil beze ztrát, magnetické cívky se supravodivým vinutím by mohly vytvářet magnetická pole s minimálními požadavky na energii, vysílače se supravodivými obvody by mohly dosahovat velkých výkonů. Přetrvával však problém, jak těmto supravodivým materiálům udržovat teplotu kapalného helia. Takové chlazení je totiž dosti náročné na energii i na prostor. Samotné chlazení by vyžadovalo více energie, než jsou energetické ztráty při použití běžných vodičů. Dalším problémem zůstává skutečnost, že silným magnetickým polem se supravodivost ruší.

Vědci s těmito problémy zápasili po několik desetiletí. Až v roce 1986 došlo k objevu, který mezi fyziky vyvolal velké překvapení. Dva výzkumní pracovníci firmy IBM v Curychu J. G. Bednorz a K. A. Müller objevili keramický materiál na bázi oxidů (pražili v laboratorní pícce rozemletou směs oxidu yttritého, uhličitanu barnatého a oxidu měďného), který se ukázal být supravodivý už při teplotách kolem ‑200 °C.

Tyto „vysokoteplotní" supravodiče není třeba chladit kapalným heliem – postačí běžně dostupný kapalný dusík. Supravodivost se stala předmětem širokého výzkumu, z komerčních důvodů dokonce často utajovaného. Stále je však třeba vyřešit mnoho problémů – například není stále jasné, jak z těchto keramických materiálů táhnout dráty a jak silné proudy by dokázaly přenést atd.

Nobelova cena pro Heike Kamerlingh‑Onnese – „gentlemana absolutní nuly"

Heike Kamerlingh‑Onnesovi byla „za výzkumy látek v nízkých teplotách (supravodivost), při nichž objevil mimo jiné i výrobu tekutého helia" udělena v roce 1913 – již dva roky po objevu – Nobelova cena za fyziku. Toto prestižní ocenění vědecké práce v oblasti supravodivosti a příbuzných fyzikálních oborech pak bylo v průběhu dalších let uděleno ještě několikrát a v 21. století čeká jistě i na další laureáty.