Supravodivá elektronika

Supravodivosť je zvláštny jav. Môže však byť ešte zvláštnejší. Nová generácia kvantovej elektroniky stavia na objave mladého fyzika, z ktorého sa neskôr stal excentrik.

Supravodivosť v akcii, foto Fotky&Foto/blazinek28

Supravodivosť je ikonickým javom modernej fyziky tuhých látok. Po prvý raz ju pozoroval experimentálne už v roku 1911 Kamerlingh Onnes a následne dlho odolávala teoretickému vysvetleniu. Ani v súčasnosti ešte nie sú známe všetky mechanizmy spôsobujúce supravodivosť látok, najmä vysokoteplotnú.

Párovanie elektrónov

Prvé uspokojivé vysvetlenie supravodivosti pri nízkych teplotách priniesli John Bardeen, Leon Cooper a John R. Schrieffer v roku 1957, podľa ktorých sa nazýva BCS teória. Jej podstatou je viazanie elektrónov do dvojíc, tzv. Cooperových párov.
Takáto dvojica elektrónov sa správa ako nová častica. Na rozdiel od elektrónov, ktoré patria medzi tzv. fermióny, Cooperove páry sú bozóny. Fermióny sú teritoriálne častice, potrebujú svoj osobný priestor. To je príčinou existencie všetkých tých vrstiev a orbitálov, do ktorých sme umiestňovali elektróny na hodinách chémie. Nedali sa všetky vložiť do jedného orbitálu. V porovnaní s nimi sú bozóny spoločenské a umiestniť všetky do jedného stavu (kde sú, kam idú), nie je problém. To sa nazýva Boseho-Einsteinova kondenzácia a skondenzované častice nemajú problém pohybovať sa prostredím bez odporu.
Ako sa však elektróny, častice so záporným nábojom, ktoré sa navzájom odpudzujú, môžu viazať do dvojíc? Typickou príčinou je pôsobenie atómových jadier tvoriacich kryštálovú štruktúru daného materiálu. Tie kmitajú okolo svojich bežných polôh a svojím pôsobením na elektróny ich nútia spárovať sa. Navyše elektróny tvoriace Cooperov  pár nemusia byť fyzicky blízko pri sebe, stačí, ak je ich pohyb navzájom synchronizovaný pôsobením kmitajúcich jadier. Dodajme, že kmitanie atómových jadier bežne bráni elektrónom v pohybe, a teda je pôvodcom elektrického odporu. Dobrými vodičmi elektrického prúdu sú preto materiály, v ktorých sa jadrá a prúdiace elektróny navzájom ignorujú, čo však spôsobuje, že dobré vodiče nie sú dobré supravodiče.

Kvantové tunelovanie

Schéma Josephsonovho spoja, A, B – supravodiče, C – tenká vrstva izolantu, ilustrácia wikipédia/Miraceti, CC BY-SA 3.0

Nečakané správanie Cooperových párov objavil v roku 1962 len 22-ročný cambridgeský študent Brian Josephson, ktorý rozmýšľal, čo sa stane, ak budú dve vrstvy supravodiča oddelené tenkou vrstvou izolantu (ako taký materiálový sendvič). Z jeho výpočtov vyšlo, že Cooperove páry budú prechádzať izolantom z jedného supravodiča do druhého. Takéto prechádzanie častíc cez bariéru sa nazýva kvantové tunelovanie a patrí medzi kvantové javy, na ktorých zlyháva naša intuícia z každodenného života – keď sa rozbehneme proti stene, očakávame, že skončíme na zemi s rozbitým nosom, a nie na druhej strane. Pre veľké objekty obsahujúce veľa častíc sa kvantové efekty pôsobiace na malých rozmeroch stratia. Navyše Cooperove páry prechádzali izolantom aj bez vonkajšieho elektrického napätia, ktoré by ich pretlačilo – takto sa kvantové tunelovanie realizuje zvyčajne. Namiesto toho kmitali tam a späť, pričom aplikovanie elektrického napätia iba menilo frekvenciu tohto kmitania.
B. Josephson svoje výpočty prezentoval významnému fyzikovi v oblasti tuhých látok a neskoršiemu nobelistovi Philipovi Andersonovi, ktorý vtom čase prednášal na Cambridgei. P. Anderson výpočty overil a B. Josephsona posmelil kpublikovaniu. Nie všetci však výsledkom verili, J. Bardeen z BCS tria, nositeľ dvoch Nobelových cien za fyziku (1956 za objav tranzistora a 1972 za BCS teóriu) bol presvedčený, že vo výpočtoch je chyba a že Cooperove páry sa pri prechode izolantom musia rozpadnúť.

Ilustračné foto Pixabay

Využitie Josephsonovho javu

Existenciu tunelovania Cooperových párov v súčasnosti známeho pod názvom Josephsonov jav neskôr experimentálne potvrdil práve P. Anderson a aj B. Josephson ako 33-ročný získal v roku 1973 Nobelovu cenu (štyri roky pred P. Andersonom). Sústava supravodič-izolant-supravodič sa nazýva Josephsonov spoj. B. Josephson sa však neskôr odklonil od tradičného fyzikálneho výskumu (tzv. nobelovská choroba) a začal sa venovať témam ako kvantový mysticizmus alebo telepatia. Pretože tieto témy nie sú podporené spoľahlivými experimentmi a ani nezapadajú do teoretickej štruktúry kvantovej teórie, sú všeobecne považované za pseudovedu, a B. Josephson sa pre ne stal terčom kritiky mnohých svojich kolegov.
Josephsonov jav však našiel technologické uplatnenie. Pretože tunelovanie Cooperových párov je citlivé na vonkajšie magnetické pole, Josephsonove spoje sú súčasťou veľmi citlivých meracích prístrojov využívaných v astronómii alebo medicíne. Rýchle kmitanie párov kontrolovateľné elektrickým napätím má zasa potenciál pre výpočtovú techniku. Josephsonove spoje boli dôležitou súčasťou kvantového počítača, ktorým Google pred dvoma rokmi demonštroval tzv. kvantovú nadradenosť, teda schopnosť kvantových počítačov uskutočňovať niektoré druhy výpočtov oveľa rýchlejšie, ako to dokážu klasické počítače.

Lukáš Konečný
Univerzita v Tromsø, Nórsko
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 8/2021. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
Komentáre