Ga egy szilárd testet fokozatosan melegítünk, bizonyos hőmérsékleten megolvad, majd további melegítéssel a forrásponton gőzzé válik. Ha az anyagnak ezt a három halmazállapotát, a szilárd, a folyékony és a gőzszerű fázist nem légköri nyomáson, hanem a külső nyomást is változtatva vizsgáljuk a hőmérséklet függvényében, jellegzetes fázisdiagramhoz jutunk. Azon látható, hogy állandó nyomás mellett a hőmérsékletet növelve az anyagtól függő, de jól meghatározott hőmérsékleten következik be a fázisok közötti átalakulás. Ugyanígy ha a hőmérsékletet állandónak tartjuk, de a nyomást növeljük, a gőz hirtelen lecsapódik, majd a folyékony halmazállapotú anyag még nagyobb nyomás alatt megszilárdul. A folyadék és a gőz között a rendezetlenség mértékében nincs különbség, csak abban, hogy az egyikben sűrűbben, a másikban ritkábban találhatók az atomok vagy molekulák.
A természet azonban ennél gazdagabb. Nemcsak szilárd, folyékony és gőz fázisa lehet egy anyagnak, hanem az építőkövek, a molekulák alakjától függően közbülső fázisok is előfordulhatnak, amelyekben a molekulák térbeli elhelyezkedése egyes esetekben a kristályokéra emlékeztet, más esetekben viszont inkább a folyadékokra jellemző rendezetlenséget találjuk. Ezek a folyadékkristályok. Másutt, például az üvegben – annak ellenére, hogy szilárdnak látszik – egyáltalán nincs kristályos belső rendezettség.
Az anyagok további lehetséges állapotait ismerhetjük meg, ha vizsgálatainkat kiterjesztjük a teljes hőmérséklet-tartományra. Néhányszor 10 ezer fok fölé melegített anyagban a termikus energia, amely a Boltzmann-állandó és a hőmérséklet szorzata, összemérhetővé válik a kémiai kötések jellegzetes energiájával, ezért az anyag atomjaira disszociál, sőt az atommaghoz kötött elektronok is leszakadhatnak. Még magasabb hőmérsékleten már az atommagok sem maradnak stabilak: szétesnek protonokra és neutronokra.
E folyamatok elméletileg jól leírhatók, kísérletileg azonban ilyen magas hőmérsékletet nem tudunk előállítani. Volt azonban – ha rendkívül rövid időre is – a természetnek olyan állapota, amelyben ilyen magas hőmérsékletek megvalósultak.
Jelenlegi ismereteink szerint az univerzum a mintegy 12–15 milliárd évvel ezelőtt történt ősrobbanásban (nagy bumm) keletkezett. A rendkívül forró univerzum gyorsan tágult és hűlt: a nagy bumm utáni egymilliomod másodpercben 1013 fok, egyszázad másodperc múlva már csak mintegy 1011 fok volt a hőmérséklet, amely egy másodperc múlva 1010 fokra csökkent. Ezután viszont több százezer évnek kellett eltelnie, mire az univerzum annyira lehűlt, hogy az atommagokból és elektronokból semleges atomok keletkezhettek.
A hőmérsékletet a hétköznapokban többnyire Celsius-fokban mérjük, ám alacsony hőmérsékleteken célszerűbb az abszolút hőmérsékleti skálát (kelvin, jele: K) használni. Ez 273 fokkal van eltolva a Celsius-skálához képest: a jég olvadáspontja 273 kelvinnek felel meg. Alacsony hőmérsékleten a nulla ponthoz közeli, néhány kelvin hőmérsékletű tartományt értjük, extrém alacsonynak pedig a millikelvin vagy annál alacsonyabb (10–100 nK) hőmérsékleteket. Ma már ilyeneket is elő tudunk állítani.
A kvantummechanikából tudjuk, hogy véges méretű dobozba zárt, egyébként szabad részecskék gázában az egyes részecskék csak jól meghatározott energiájú állapotban lehetnek. Ha a gáz termikus egyensúlyban van környezetével, a részecskék onnan energiát nyerhetnek, vagy energiát adhatnak le, s az egyes állapotokat a hőmérséklettől függő valószínűséggel töltik be. A hőmérséklet csökkenésekor egyre kevesebb részecske rendelkezik nagy energiával. Ha az abszolút nulla fokot elérhetnénk, minden részecske a legalacsonyabb energiájú állapotban lenne. De ha elég nagyszámú részecskéről van szó, már véges hőmérsékleten bekövetkezik az, hogy véges sűrűségben lesznek jelen részecskék ezen a legalacsonyabb nívón. Ez a Bose–Einstein-kondenzáció. 1995-ben sikerült először Eric Cornellnek és Carl Wiemann-nak nagy mágneses térben együtt tartott rubídiumatomokat olyan alacsony hőmérsékletre (száz nanokelvin) lehűteni, hogy a kondenzáció bekövetkezzék.
Technikai bravúr volt a kísérlet, amelyért a tudósok jogosan kapták meg a Nobel-díjat, bár nem ez volt az első eset, amikor a Bose–Einstein-kondenzációt meg lehetett figyelni. Van ugyanis egy különleges folyadék, a hélium, amelyben a kondenzáció létrejöttét és az abból adódó rendkívüli tulajdonságokat már régóta vizsgálták.
A hélium (He) az egyik legkönnyebb elem, ráadásul mint minden nemesgáznál, az atomok közötti kölcsönhatás is rendkívül gyenge. Mindez azt okozza, hogy a hélium légköri nyomáson csak 4,2 K táján válik folyadékká, és még T = 0-nál is folyadék marad. A héliumatomokból álló folyadékra egészen pontosan nem érvényesek a szabad részecskék gázáról elmondottak. Az atomok közötti kölcsönhatás miatt nem kondenzálódhat az egész folyadék a legalacsonyabb energiaszintre, de igaz marad, hogy a folyadékállapoton belül bekövetkezhet makroszkopikus számú részecskének a legalacsonyabb energiaszintre való kondenzációja. Ebben az új állapotban a folyadék elveszíti a viszkozitását, szuperfolyékonnyá válik. Ennek első jele az, hogy a hélium állandó forrásban lévőnek látszó felszíne hirtelen megnyugszik. A szuperfolyékonyság jól látható abban a kísérletben, amelyben üres kémcsövet merítünk szuperfolyékony He4-et tartalmazó edénybe: a folyadék vékony, mintegy 100 atomi réteget tartalmazó filmet képez a kémcső falán, s a hélium abban „felmászva” befolyik a kémcsőbe.
A szuperfolyékonyság következménye a héliumszökőkút is. A kapillárisba egy eltömött csövön keresztül juthat a szuperfolyékony folyadék. A csövet sugárzással melegítve a hélium oly sebesen áramlik be a csőbe, kiegyenlítendő a hőmérséklet-különbséget, hogy a kapillárison keresztül szökőkútként túlfolyik. Jól látható a forgás, ha a kapilláris végét Segner-kerékként alakítjuk ki.
További érdekessége a héliumnak, hogy két izotópja van: a gyakoribb He4 és a valamivel ritkábban előforduló He3. Az előbbi magspinje nulla, az utóbbié a Planck-állandó egységeiben kifejezve fél. Az egyik esetben igaz, hogy bármely energiaszinten akárhány részecske lehet. Az ilyen rendszereket nevezzük Bose típusú rendszereknek, a részecskéket bozonoknak. A másik esetben viszont bármely állapotban legfeljebb egy részecske lehet a kvantummechanika szerint. Az ennek eleget tevő rendszereket nevezzük Fermi típusú rendszereknek, a részecskéket fermionoknak. Fermionoknál hiába csökkentjük a hőmérsékletet, a részecskék sohasem kerülhetnek mind a legalacsonyabb szintre. Emiatt T = 0-nál is vannak a rendszerben nagy energiájú részecskék. A He3 tehát Fermi-folyadék, amely a He4-énél sokkal alacsonyabb hőmérsékleten, millikelvin tartományban válik szuperfolyékonnyá. Ám tulajdonságai sok szempontból eltérnek a He4-étől, mivel a szuperfolyékonyság itt nem a Bose–Einstein-kondenzáció következménye, hanem a fermion típusú részecskék kölcsönhatásából adódik.
Míg a He4 mint Bose-folyadék kivételnek látszik a természetben, Fermi-folyadékra nem a He3 az egyetlen példa, hanem minden fém annak tekinthető. A fémes szilárd testekre úgy tekinthetünk, hogy bennük az ionok által alkotott rácsban igen nagy számú elektron mozog majdnem szabadon, természetesen mindig eleget téve a Pauli-elvből adódó kizárásnak. Ezért a fémek szoba-hőmérsékleti viselkedését is csak a kvantummechanikai elvek figyelembevételével lehet megérteni.
Az abszolút nulla hőmérséklet közelében a szokásos fémes viselkedéshez képest új jelenség, a szuperfolyékonyságra némileg emlékeztető szupravezetés léphet föl. Az anyagtól függő kritikus hőmérsékleten a fém ellenállása hirtelen nullára eshet le. A jelenséget először higanyon figyelték meg, s azóta az elemek során és rengeteg vegyületen is tapasztalták.
Mi történik az elektronokkal a szupravezető állapot kialakulásakor? Ennek megértéséhez vegyünk egy kristályban mozgó elektront. Az elektron terjedése közben az ionokat rezgésbe hozhatja, azt mondjuk, hogy a rácsrezgések egy kvantumát, egy fonont kelthet, s emiatt pályája megváltozik. Egy másik elektron már ezt a rezgő rácsot érzi, a fonont elnyelheti, s emiatt pályája szintén megváltozik. A rács közvetítésével tehát a két elektron egymás pályáját befolyásolja. Ha ez elég erős, a két elektronból kötött pár alakulhat ki. Ez a Cooper-pár.
Ez már nincs alávetve a Pauli-elvnek, akár a rendszer összes elektronja is ugyanolyan típusú párba kondenzálódhat. E föltételezésre alapozva dolgozta ki John Bardeen, Leon Cooper és Richard Schrieffer a szupravezetés elméletét, majd sikerült kísérletileg is igazolni, hogy az elektronok valóban párokba állnak össze.
A szupravezetés legtermészetesebb alkalmazása annak kihasználása lehetne, hogy a szupravezető drótban ellenállás nélkül folyik az áram, ezért a drótban nincs hőtermelés, nincs veszteség. Távvezetékként nyilván nem használhatunk szupravezetőt, hiszen azt folyamatosan hűteni kell, s az ehhez szükséges energia nagyobb, mint a vezetékben bekövetkező veszteség. Lehetséges azonban, hogy tároljuk az energiát (a szupravezető gyűrűben elindított áram évmilliókig nem csökkenne), s szükség esetén az áram onnan újra a hálózatba küldhető. A mai leggyakoribb alkalmazás azonban az, hogy szupravezető tekercsben jól szabályozható nagyságú, igen nagy intenzitású mágneses teret tarthatunk fent. Ezt alkalmazzák a mágneses rezonanciatomográfban és a mágneses lebegtetés elvét kihasználó, több helyen kísérleti stádiumban lévő szupergyors vonatokban. A vasúti kocsikon elhelyezett szupravezető mágnesek és a pályán lévő tekercsekben indukált áram mágneses tere közötti taszítás akkora lehet, hogy a vonat „lebeg” a pálya fölött, pontosabban fantasztikus sebességgel, 500 km/órát meghaladó sebességgel, súrlódás nélkül száguld. Ugyancsak a szupravezető mágnesek teszik lehetővé, hogy nagy részecskegyorsítókban olyan energiákat érjenek el, amelyek segítségével az univerzum keletkezésének titkait lehet kísérletileg vizsgálni.
Mindeddig arról volt szó, hogy e jelenségek csak igen alacsony hőmérsékleten, az abszolút nulla pont közelében figyelhetők meg. Sokáig valóban ez volt a helyzet. Higanyban, ahol először tapasztaltak szupravezetést, 4 K táján történik meg az átalakulás. Az évek során újabb és újabb szupravezető anyagokat találtak, egyre magasabb átmeneti hőmérséklettel, de a múlt század nyolcvanas éveinek közepén is a legmagasabb átalakulási hőmérséklet csak mintegy 23 K volt. Ekkor robbanásszerű változás következett be. Teljesen váratlanul hirtelen 40, majd közel 100, aztán 130 K körüli átmeneti hőmérséklettel rendelkező anyagokat találtak. A jelenleg ismert legmagasabb átmeneti hőmérséklet légköri nyomáson mérve 138 K, vagyis még mindig igen alacsony: –135 Celsius-fok.
Ez két irányban is óriási kihívást jelentett. Egyrészt nem látszott kizártnak, hogy rövid időn belül olyan anyagokat találnak, amelyek szobahőmérsékleten is szupravezetők, s akkor az alkalmazások is sokkal könnyebbé válnak. Bár eddig nem járt sikerrel, a még magasabb átmeneti hőmérsékletű anyagok utáni hajsza óriási lökést adott az alkalmazásoknak. Ugyanakkor a kutatás számára is új kihívást jelent ezeknek az anyagoknak a felfedezése, mert kiderült, hogy sok olyan jelenség figyelhető meg, amely az eddigi elmélet keretébe nem fér bele, s ez új utak keresésére ösztönöz.
A fenti szöveg a június 2-án elhangzott előadás rövidített, szerkesztett változata.
Az előadás megtekinthető június 7-én (szombaton) a Duna Televízióban 14.15-től, június 8-án (vasárnap) 13.10-től az MTV-n, valamint 23.25-től az M 2-n.
A Mindentudás Egyetemének következő előadása június 10-én 19.30-kor kezdődik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem informatikai épületének B28-as előadójában (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2/B).
Az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a
www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
Szóljon hozzá!
Jelenleg csak a hozzászólások egy kis részét látja. Hozzászóláshoz és a további kommentek megtekintéséhez lépjen be, vagy regisztráljon!