Před 115 lety, 8. dubna 1911, objevil holandský fyzik Heike-Kamerlingh Onnes při svých experimentech se rtutí supravodivost. Fyzikální jev, při kterém některé materiály za velmi nízké teploty ztratí elektrický odpor a dokážou vést elektrický proud bez jakékoli ztráty energie, otevřel dveře zcela nové oblasti fyzikálního výzkumu a také aplikacím v medicíně, dopravě či ve špičkových technologiích.
V dubnu 1911 zkoumal Heike-Kamerlingh Onnes (1853–1926) vodivost kovů za nízkých teplot. V té době již bylo známo tzv. Matthiessonovo pravidlo, které popisuje téměř konstantní hodnotu elektrického odporu vodičů za nízkých teplot. Ta je dána rozptylem elektronů na nedokonalostech krystalové mřížky (příměsové atomy, vakance, ...). Onnese napadlo toto pravidlo potvrdit měřením velmi čistého kovu. Jak však kov dostatečně vyčistit?
Onnes se inspiroval u chemiků – využil destilaci, pomocí které čistil kapalnou rtuť. Po několika týdnech čištění připravil vzorek a začal rtuť ochlazovat. Oproti svým vědeckým kolegům měl Onnes významnou výhodu. Před třemi lety, v červenci 1908, se totiž jeho týmu podařilo zkapalnit poslední plyn – hélium – a právě díky tomu mohl dosáhnout teploty velmi blízké absolutní nule (~1 K). U vzorku velmi čisté rtuti se elektrický odpor monotónně zmenšoval až do teploty 4,2 K (−269 °C), kdy velmi rychle poklesl na neměřitelnou hodnotu. Pomocí opakovaného měření Onnes ověřil, že nejde o chybu aparatury, ani o zkrat kontaktů na vzorku. Rtuť přešla do supravodivého stavu.
Pokles elektrického odporu u rtuti (měření H. K. Onnese z roku 1911)
Stejné chování, tj. náhlý pokles elektrického odporu, bylo později pozorováno také u dalších kovů a kovových slitin. Ve 30. letech minulého století byla přítomnost supravodivého chování spojena s velmi zajímavými magnetickými vlastnostmi. Bylo zjištěno, že supravodič se chová jako ideální diamagnet, tzn. že ze svého středu vytlačuje magnetické pole. Demonstrace tohoto jevu, pojmenovaného podle svých objevitelů Meissnerovým-Ochsenfeldovým jevem, je jedním z nejznámějších fyzikálních experimentů nízkých teplot.
Na vysvětlení supravodivosti jsme si ovšem museli počkat až do konce 50. let, kdy američtí vědci Bardeen, Cooper a Schrieffer představili teorii (označovanou dle jejich jmen BCS) založenou na specifickém kvantovém chování elektronů. Elektrony se podle této teorie spojují do párů, které mohou krystalovou mřížkou s kmitajícími atomy procházet beze ztrát. Cooperovy páry, jak se tyto dvojice elektronů nazývají, se řídí jinou kvantovou statistikou než jednotlivé elektrony. Supravodivost se tak stala prvním tzv. kolektivním kvantovým jevem, tedy jevem, na kterém se podílí velký počet částic.
V roce 1986 dostala supravodivost sourozence, s přívlastkem vysokoteplotní. Byly objeveny keramické materiály, u kterých docházelo k vymizení elektrického odporu a pozorování Meissnerova-Ochsenfeldova jevu za teplot nad teplotou varu kapalného dusíku. Tyto materiály, například YBa2Cu3O7-δ, se stále intenzivně zkoumají, jelikož se ukazuje, že teorie BCS nedokáže jejich vlastnosti vysvětlit. Zároveň se supravodivost pozoruje u 2D materiálů (grafen), za velmi vysokých tlaků u látek bohatých na vodík nebo také u organických vodičů.
Zvláštní chování čisté rtuti odstartovalo před 115 lety zcela novou oblast fyzikálního výzkumu. I po této době je supravodivost stále námětem intenzivních výzkumů – experimentálních i teoretických. A našla si cestu také do aplikací. Supravodivé magnety vytváří silná a homogenní magnetická pole, a to nejen ve fyzikálních a chemických laboratořích, ale také v nemocnicích. Zobrazovací metoda NMR, jaderná magnetická rezonance, je založena na sledování změn odezvy ve zdravé a nemocné tkáni v magnetickém poli. Vyšetřovaný pacient se přitom nachází přímo v centru takového magnetu. Pomocí supravodivosti lze nejen magnetická pole vytvářet, ale i s velkou přesností měřit. Slouží k tomu supravodivý kvantový interferometr (SQUID), který využívá vysokou citlivost přechodu supravodič-izolant-normální kov na magnetické pole. Supravodivost je tak i po více než století stále inspirující a záhadná zároveň.
Mohlo by vás také zajímat:
Překvapení
schované v šuplíku. Před 130 lety byla objevena radioaktivita
Veněra
3: První sonda, která „nabourala“ do jiné planety
Fyzikální
Top 10 za rok 2025