FIZIKAI NOBEL-DÍJ 2003-ban

A 2003-as év fizikai Nobel-díját Alekszej A. Abrikosov (Oroszország, illetve USA), Vitalij L. Ginzburg (Oroszország) és Anthony J. Leggett (Egyesült Királyság, illetve USA) fizikusoknak ítélték oda, a szupravezetés és a szuperfolyékonyság elméleti alapjainak kidolgozásáért.

A fizikai Nobel díjat a Svéd Tudományos Akadémia öt személyből álló bizottsága ítéli oda. Az idei Nobel díjasok nevét 2003.október 7.-én 11.45 perckor (svéd idő szerint) jelentették be.   A tízmillió svéd koronával (mintegy 280 millió forint) járó díjat ezúttal három tudós, a  kvantumfizika terén kifejtett munkásságáért kapja. A Nobel-bizottság nem első alkalommal ítélt oda a szupravezetés területén végzett kutatásért díjat. Legutóbb 1957-ben Bardeen, Cooper és Schrieffer a kezdőbetűikről elnevezett BCS elmélet megalkotásáért kaptak,  amellyel a szupravezetők minden alapvető tulajdonságára választ adtak.

Mi a szupravezetés? - szupravezetés alatt a rendkívül alacsony hőmérsékletre lehűtött anyagok különleges viselkedését értjük. Egyes anyagokban ilyenkor az ellenállás pontosan nulla. Ez azt jelenti, hogy az ilyen anyagokban folyó áramból nem keletkezik Joule-féle hő, azaz az áramnak nincs semmilyen vesztesége. Egy ilyen anyagból készült gyűrűben ha áramot keltünk, az idők végezetéig kering benne az áram. A kutatók nagy várakozással tekintettek ezekre a különleges anyagokra: arra gondoltak, hogy  olyan távvezetékeket lehet majd építeni, amelyek veszteség nélkül szállítják az elektromos energiát.

Hamarosan kiderült azonban, hogy a szupravezető állapot nem túlságosan erős mágneses térrel könnyen megszüntethető. Ez viszont azt jelenti, hogy a szupravezetőben nem folyhat erős áram, hiszen az áram is létrehoz maga körül mágneses teret, ami viszont megszünteti a szupravezető-állapotot.

A kérdésekre az 1930-as években Meissner és Ochsenfeld német fizikusok  válaszoltak, amikor bebizonyították, hogy a  szupravezetők belsejébe a mágneses tér nem tud behatolni.

Az 1950-es évek közepén a fizikusok már sejtették, hogy a szupravezetés és a fémek kristályrácsa között szoros kapcsolat lehet. Ekkor kísérletekkel igazolták, hogy a szupravezetéshez szükséges kritikus alacsony hőmérséklet függ a kristályrácsban lévő atomok tömegétől, azaz ugyanazon elem izotópjainak más és más a kritikus hőmérséklete.

1957-ben létrejött a  Bardeen, Cooper és Schrieffer (BCS) elmélet, amely a szupravezetők minden alapvető tulajdonságára választ adott. Megállapították, hogy a szupravezető fémek belsejében az elektronok párokba kapcsolódnak (Cooper-pár), s ezek a párok azután már akadály (ütközések) nélkül tudnak a kristályrács belsejében mozogni. Szupravezető állapotban a fémekben lévő elektron-anyag "szuperfolyékony" - azaz súrlódás nélkül tud elmozdulni. Más ilyen folyadékot is találtak. Bár az elmélet nagyon lépett előre, de a szupravezető távvezetékek építéséhez még mindig nem volt elegendő ismeretanyag.

Az animáció a köv. oladról származik: http://superconductors.org/oxtheory.htm

A következő időszakban a kutatókat fokozatosan kezdte foglalkoztatni az a probléma, hogy hogyan fordulhat elő, hogy az ötvözetek és a szennyezett fémek szupravezető viselkedése eltér a szokásostól, ugyanakkor érdekessé vált, hogy egyes esetekben előfordul, hogy a mágneses tér nem szorul ki teljesen az anyagból.

A most Nobel díjjal jutalmazott két orosz kutató, Ginzburg és Abrikoszov megfigyelte, hogy az általuk vizsgált szennyezett fémeknél illetve ötvözeteknél a szupravezető alakjától függően normális és szupravezető tulajdonságot mutató rétegek alakulnak ki. A mágneses tér a nem-szupravezető térrészekbe be tud hatolni, s így mágneses "fonalak" alakulhatnak ki, amelyek rácsot képesek alkotni (Abrikoszov-rács). A két tudós kutatásai hozzájárultak annak megállapításához, hogy a mágneses tér "nem feltétlenül akadálya" a szupravezetésnek.

 

A szupravezetők ipari elterjedése még mindig nem valósult meg széleskörűen, hiszen a szupravezetés csak rendkívül alacsony hőmérsékleten valósítható meg.

1986-ban, a szupravezetés felfedezésének 75. évfordulóján,  Bednorz és Müller svájci kutatók bejelentették, hogy egy sok atomból összetett molekulájú anyagon már 30-35 K (kelvin) környékén tapasztaltak szupravezetést. A bejelentést követően egyre többen ez irányban gyorsították meg kutatásaikat és egyre magasabb hőmérsékleten tapasztalták ezt a különleges állapotot. A jelenlegi kutatások szerint 130-140 K is tapasztaltak szupravezetést. Ezeket az anyagokat "magas hőmérsékletű szupravezetőknek" hívják, bár a hétköznapi életben 140 K (= - 133 ^oC) még bizony nagyon alacsony hőmérséklet.

Mire használják a szupravezetőket ?

Annak ellenére, hogy a szupravezetők még mindig nem terjedtek el olyan célokra, ahogyan azt eredetileg gondolták (veszteségmentes távvezetékek), napjainkban egyre több és szélesebb felhasználást nyernek:

• Elektromos energia tárolható: ha egy szupravezető tekercsbe áramot vezetünk, s utána a tekercs két végét megfelelően alacsony hőmérsékleten összekötjük, rövidre zárjuk, akkor az áram mindaddig kering a tekercsben, amíg a hőmérséklet elegendően alacsony, nagy intenzitású mágneses teret tarthatunk fent.

• Kihasználják, hogy a mágneses tér nem hatol be egészen a szupravezetőbe - Japánban ezen elvre épül a szupravezető vasút.

• a mag-mágneses rezonancia tomográfban, a szükséges nagy mágneses mezők előállítására

Linkek: http://www.nobel.se/physics/laureates/2003/phyadv03.pdf
http://physicsweb.org/article/news/7/10/4
http://www.eere.energy.gov/EE/power_superconductivity.html
http://www.origo.hu/tudomany/technika/20031007fizikai.html

Dr. Jarosievitz Beáta