Szupravezetők
Szupravezetők
A vihar az Amerikai Fizikai Társaság 1987. márciusi konferenciáján tört ki. Miután többen jelezték, hogy vannak a szupravezetéssel kapcsolatos eredmények, a rendezőség az egyik estére külön előadás-sorozatot hirdetett ebből a tárgykörből. Eredetileg néhány előadásra és gyér hallgatóságra számítottak. Ehelyett azonban a résztvevők még a csilláron is lógtak, sokan órákkal előbb odamentek, hogy helyet kapjanak (egyikük ki is jelentette „Történelmi eseményre jöttem”). Az előadások időtartamát öt percre kellett korlátozni, de a rendezvény így is hajnali háromig tartott. Eközben sokan hazatelefonáltak kollégáiknak a legújabb eredményekért, hogy ezekből ők is előadást tartsanak, hogy ne maradjanak ki az eseményekből.
Ezt a vihart egy olyan jelenség felfedezése okozta, amelyet nagyon régen kerestek a kutatók, de már majdnem letettek róla, hogy a belátható jövőben megtalálják. Kammerling-Onnes ugyanis már 1911-ben felfedezte, hogy a higany, csaknem abszolút nulla fok hőmérsékletre hűtve, elveszti elektromos ellenállását, „szupravezetővé” válik. Később találtak olyan – elsősorban nóbiumtartalmú – fémötvözeteket, amelyek valamivel magasabb hőmérsékleten válnak szupravezetővé, azonban az évtizedek keserves munkájával elért rekordhőmérséklet 1986 tavaszáig mindössze 23 K (–250 °C) volt. Ezeket az anyagokat nagyon nehéz gyakorlati célokra használni, mert hűtésükhöz cseppfolyós héliumra van szükség, ennek előállítása pedig rendkívül költséges. Ennek ellenére bizonyos speciális alkalmazásoknál (elsősorban nagyon nagy mágneses terek előállításánál) már ma is sok helyen alkalmaznak szupravezető anyagokat. Épp azért keresték a magasabb hőmérsékleten is szupravezetővé váló anyagokat, mert ezek hűtését a sokkal olcsóbb cseppfolyós nitrogénnel is meg lehet oldani.
Az IBM-nek vannak különleges státusú munkatársai. Aki kiérdemli az IBM Fellow címet, annak a vállalat lehetővé teszi, hogy azt kutasson, amit jónak lát. Ilyen kitüntetett munkatársa a cég zürichi laboratóriumának Alex Müller, aki egy kevéssé ismert oxidvegyület-csoportot kezdett vizsgálni, amelynek tagjai általában szigetelők, de bizonyos körülmények között érdekes fémes tulajdonságokat mutatnak. Munkatársával, Georg Bednortzcal ilyen vegyületek százait keverte ki, arra voltak kíváncsiak, vajon felfedezhető-e ezeknél az anyagoknál (alacsony hőmérsékleten) a szupravezetés valamiféle jele. Nagy meglepetésükre az egyik vegyületnél már igen magas, 30 K (–243 °C hőmérsékleten szupravezetést tapasztaltak. Ez hihetetlen volt számukra, olyannyira, hogy – nem akarván lejáratni magukat – sok ellenőrző mérést végeztek, mielőtt a szaksajtóban közzétették eredményeiket. Mivel azonban ekkor is csak egy német nyelvű folyóiratban publikáltak, kevesen olvasták cikküket, és akik olvasták, azok sem hittek eredményeik valódiságában (az illetők ma már – saját bevallásuk szerint – keservesen bánják hitetlenségüket).
1986 őszére néhány kutató mégis komolya vette Müller cikkét és ellenőrizte az eredményeket. Kiderült, hogy nem mérési hibáról van szó, nincs semmiféle tévedés, ezek az anyagok valóban a korábbiaknál lényegesen magasabb hőmérsékleten válnak szupravezetővé. A további keresés azután felfedte, hogy ez másik hasonló vegyületcsoportnál még ennél is sokkal magasabb, már 100 K (–173°C) körüli hőmérsékleten fellép a szupravezetés jelensége. Márpedig a cseppfolyós nitrogén hőmérséklete 70 K körüli, vagyis a korábbi álom ezzel kézzelfogható közelségbe került. (S ma már a kutatók nem tartják kizártnak, hogy felfedezhetnek akár szobahőmérsékleten szupravezetővé váló anyagokat is).
Sokan az izzólámpa és a félvezetők felfedezésének jelentőségéhez mérik ezt a felfedezést. Az új anyag rendkívüli változásokat hozhat a gazdasági és a műszaki életben. Nem véletlen, hogy a szabadalmi hivatalokban beadványok tucatjait vizsgálják, mindenki magának akarja az elsőséget, nagy cégek sora próbál a lehetőségekből minél többet megkaparintani magának. Közben a tudósok lázasan keresik az újabb és újabb anyagokat, az újabb és újabb rekordokat. A „szupersztár” a Houstoni Egyetem fizikaprofesszora, Chin Wu Chu, akinek elsőként sikerült a 100 K-t elérnie, sőt júniusra újabb, majdnem 100 fokos ugrást tett. –40°C körüli hőmérsékleten ért el szupravezetést.
Mindezek ellenére még hosszú időre van szükség ahhoz, hogy a mindennapi életben is találkozhassunk ezekkel az új anyagokkal. Ezek ugyanis kerámiák, s mint ilyenek, ridegek és porózusak, s bár sikerült belőlük még huzalt is készíteni, meg kell találni ipari alkalmazásaik módját. De ha ez sikerül, akkor lehetséges, hogy szinte új ipari forradalom előtt állunk, elsősorban az energiaiparban, de sok más területen is. Ha az elektromos távvezetékeknél például ilyen szupravezetőkből készült kábeleket alkalmaznak majd, ez 5–15% energiamegtakarítást hozhat. Az Egyesült Államokban az ebből eredő megtakarítás 50 nagy erőmű teljesítményének felelne meg.
Az új, magas hőmérsékletű szupravezető anyagok feléleszthetik a lebegővonat-kísérleteket. Ezek ugyanis elsősorban azért fulladtak kudarcba, mert a vonatok lebegtetéséhez szükséges erős szupravezető mágneseket cseppfolyós héliummal kellett hűteni. Az új anyagok nemcsak magasabb hőmérsékleten válnak szupravezetővé, hanem ugyanakkor sokkal nagyobb mágneses teret viselnek el (a szupravezető anyagok ugyanis egy bizonyos erősségű mágneses térben elvesztik ezt a tulajdonságukat), s így segítségükkel kisebb méretű és erősebb mágneseket lehet készíteni.
Ez az erős mágneses tér lehetővé teszi az eddiginél sokkal kisebb méretű és nagyobb teljesítményű villanymotorok készítését is, s így az elektromos járművek nagymértékben tökéletesíthetők lesznek. Elterjedésük csökkentheti a környezetszennyezést, jó hatásfokuk pedig az energiafogyasztást.
Az utóbbi idők egyik fontos diagnosztikai eszköze a mag mágneses rezonancia elvén működő, ún. NMR-tomográf. Ennek segítségével minden eddiginél tökéletesebb felvételeket lehet készíteni a test belsejéről. E műszerhez azonban ugyancsak szupravezető mágnesekre van szükség. Az új anyagokkal készülő tomográfok egyrészt olcsóbbak lesznek, másrészt üzemeltetési költségeik is tetemesen csökkennek. Becslések szerint egyetlen berendezésnél évi 100 000 dollár takarítható meg, s így a ma még drága – kisebb kórházak számára szinte elérhetetlen – műszer olcsóbbá és így elérhetővé válhat.
A tudomány is hasznot húzhat az új szupravezetőkből. Az anyag legkisebb részeit vizsgáló berendezésekhez, a gyorsítókhoz ugyancsak hatalmas szupravezető mágnesekre van szükség, s az új anyagokkal olcsóbb, egyben nagyobb teljesítményű részecskegyorsítók építhetők, így mélyebben hatolhatunk az anyag, az atommagok és elemi részek belsejébe.
Az emberiség energiagondjainak távlati megoldását az irányított magfúziótól – a könnyű atommagok egyesítésével történő energiatermeléstől – várják. Az egyesítéshez azonban az atommagokat nagyon magas hőmérsékleten kell együtt tartani, ehhez pedig mágneses edénybe kell zárni őket, hiszen a közönséges anyagból készült edény fala nagyon gyorsan lehűtené a részecskéket. Az új szupravezetőkkel a korábbinál tökéletesebb és olcsóbb mágneses edények készíthetők.
Az elektronikában is forradalmat hozhatnak ezek az új anyagok. Már korábban is folytak kísérletek szupravezető áramkörökkel, ezek azonban a szükséges rendkívül alacsony hőmérséklet miatt nem terjedtek el, pedig egy ilyen áramkör ezerszer gyorsabb hagyományos társainál. A pár év múlva minden bizonnyal megjelenő „szuperchipekkel” épített miniszámítógépekkel az íróasztalra kerülhet a korábbi számítógépek teljesítménye. Az első kísérleti áramkörök már elkészültek...
