Szupravezetés: szupravezetők, Meissner‑effektus és alkalmazások
A szupravezető olyan anyag, amely ellenállás nélkül vezeti az elektromosságot, ha egy meghatározott "kritikus hőmérsékletnél" hidegebbé válik. Ezen a hőmérsékleten az elektronok párokba rendeződnek (Cooper‑párok), és kollektív kvantumállapotot vesznek fel, amelyben az áram veszteség nélkül tud folyni. A szupravezetők alapvetően eltérnek a jó vezetőktől: míg a normál fémek ellenállása fokozatosan csökken a hűtéssel, a szupravezetők esetén az ellenállás egy adott hőmérséklet környékén hirtelen eltűnik — ez egyfajta fázisátalakulás. Fontos kísérőjelenség, hogy erős mágneses tér alkalmazásakor a szupravezetés megszűnik, és az anyag visszatér a normál vezető állapothoz.
A Meissner‑effektus és a mágneses tulajdonságok
Normális vezető mellett mozgó mágnes elektromágneses indukcióval hoz létre áramot a vezetőben. Egy szupravezető viszont aktívan kiszorítja a belsejéből a mágneses mezőt azáltal, hogy felületi áramokat indukál — ez az ún. Meissner‑effektus. A szupravezető így tökéletesen diamágnesesnek tűnik: nem csak egyszerűen nullára csökkenti az ellenállást, hanem meg is tagadja a mágneses tér bejutását. Ezt látványosan lehet demonstrálni lebegtetéssel: egy kis mágnes a szupravezető fölött lebeg, mert a szupravezető ellentétes mágneses térrel taszítja el.
Típusok és fontos fogalmak
- Type I (I. típusú) szupravezetők: teljes Meissner‑állapotot mutatnak egészen egy kritikus mágneses térig (Hc), amelynél egyszerre megszűnik a szupravezetés. Gyakran tiszta fémek tartoznak ide.
- Type II (II. típusú) szupravezetők: két kritikus térrel rendelkeznek, Hc1 és Hc2 között részleges, úgynevezett vegyes (vortex) állapot alakul ki: a mágneses tér fluxuskvanta‑csövekben (vortexekben) hatol be, miközben a többi terület továbbra is szupravezető marad. Ez a jelenség lehetővé teszi nagyobb mágneses terek elviselését és a fluxusrögzítést (flux pinning), ami stabil lebegést eredményez.
- Kritikus paraméterek: minden szupravezetőre jellemző a kritikus hőmérséklet (Tc), kritikus mágneses tér (Hc vagy Hc2) és kritikus áram (Ic). Ezek együttesen határozzák meg, hogy milyen körülmények között marad meg a szupravezetés.
- Kvantumjelenségek: a mágneses fluxus kvanált, és a Josephson‑hatás (tunneling két szupravezető között) fontos alapja a szupravezető alapú eszközöknek és méréseknek.
Mi magyarázza a szupravezetést?
A hagyományos (BCS) elmélet szerint az elektronok a rácsrezgések (fononok) közvetítésével vonzó kölcsönhatásba kerülnek, és Cooper‑párokat alkotnak. Ezek a párok egy kollektív, koherens állapotot vesznek fel, amelyben az ütközések és így az energiaelnyelés megszűnik. Vannak azonban olyan anyagok — például a magas hőmérsékletű szupravezetők (cuprátok) vagy a vasalapú szupravezetők —, amelyeknél a mechanizmus teljes magyarázata még mindig kutatás tárgya.
Alkalmazások
- MRI (mágneses rezonancia képalkotás): erős, stabil és olajmrmentes szupravezető mágneseket használnak a kórházi képalkotáshoz.
- Maglev és lebegtetés: fluxusrögzítés és Meissner‑effektus miatt szupravezetőkkel stabil, súrlódásmentes lebegés valósítható meg.
- Részecskegyorsítók és nagy mezős eszközök: szupervezető mágnesek hozzák létre a nagy mágneses tereket (pl. LHC, egyéb kutatóberendezések).
- SQUID‑ok és érzékelők: a legérzékenyebb mágneses térmérők közé tartoznak, orvosi és geofizikai alkalmazásokban használatosak.
- Energiaátvitel és hálózati eszközök: szupravezető kábelek, kapcsolóberendezések (fault current limiters) és veszteségmentes energiatárolás ígérete.
- Elektronikai és kvantumszámítógép‑alkalmazások: Josephson‑egységek és szupravezető qubitek (pl. transmon) a kvantumszámítástechnika élvonalában állnak.
- Precíz fizikai mérések: szupravezető alapú sztenderdek (pl. feszültség‑ és áramszabványok) rendkívül stabil és pontos referenciákat biztosítanak.
Kihívások és a jövő
A nagy gyakorlati korlát a hűtés szükségessége: alacsony hőmérsékletű szupravezetőkhez folyékony hélium, míg a magasabb Tc‑jú anyagokhoz (például a cuprátoknál) folyékony nitrogén is elegendő lehet, ami olcsóbb és egyszerűbb. A kutatás célja olyan anyagok megtalálása vagy előállítása, amelyek környezeti nyomáson, minél magasabb kritikus hőmérsékleten működnek. Az elmúlt évtizedekben jelentős előrelépés történt (pl. magas Tc cuprátok, hidridek nagy nyomáson), de a mindennapi, költséghatékony, szobahőmérsékletű szupravezetés elérése még mindig aktív kutatási terület.
Összefoglalva: a szupravezetés egy kvantummechanikai alapú jelenség, amely lehetővé teszi az ellenállás nélküli áramlást és a mágneses terek kiszorítását (Meissner‑effektus). Ezek a tulajdonságok számos technológiai alkalmazás alapjai, és a kutatás célja, hogy a szupravezetők előnyeit egyre szélesebb körben, gazdaságos és praktikus módon lehessen hasznosítani.
Folyékony nitrogénnel hűtött, magas hőmérsékletű szupravezető felett lebegő mágnes. A szupravezető felületén tartós elektromos áram folyik. Ez kizárja a mágnes mágneses terét (Faraday indukciós törvénye). Az áram tulajdonképpen egy elektromágnest alkot, amely taszítja a mágnest.
A szupravezetők története
| 1911 | Heike Kamerlingh Onnes által felfedezett szupravezetés |
| 1933 | a Walter Meissner és Robert Ochsenfeld által felfedezett Meissner-effektus |
| 1957 | John Bardeen, Leon Cooper és John Schrieffer által a szupravezetés elméleti magyarázata (BCS-elmélet). |
| 1962 | a szupravezető Cooper-párok alagútjának a szigetelő gáton keresztül történő átvezetése előre jelezte, hogy |
| 1986 | Kerámia szupravezetőt fedezett fel Alex Müller és Georg Bednorz. A kerámiák általában szigetelők. Lantán, bárium, réz és oxigén vegyülete, amelynek kritikus hőmérséklete 30 K. Megnyitotta a lehetőséget új szupravezetők számára. |
Alkalmazások
- Szupravezető kvantum interferencia eszköz (SQUID)
- Részecskegyorsítók
- Kis részecskegyorsítók az egészségügyben
- Levitáló vonatok
- Nukleáris fúzió
- MRI szkenner
Kérdések és válaszok
K: Mi az a szupravezető?
V: A szupravezető olyan anyag, amely ellenállás nélkül vezeti az elektromosságot, ha egy "kritikus hőmérsékletnél" hidegebbé válik. Ezen a hőmérsékleten az elektronok szabadon mozoghatnak az anyagban.
K: Miben különbözik a szupravezető a közönséges vezetőtől?
V: A közönséges vezetők lassan veszítenek ellenállásukból (vezetőképesebbé válnak), ahogy egyre hidegebbé válnak. Ezzel szemben a szupravezetők egyszerre veszítik el az ellenállásukat. Ez egy példa a fázisátalakulásra.
K: Milyen példák vannak a szupravezetőkre?
V: Néhány példa a szupravezetőkre a fémek közül a higany és az ólom, a kerámiák és a szerves szén nanocsövek.
K: Hogyan hat egy vezető mellett mozgó mágnes egy vezetőre?
V: Normális esetben egy vezető mellett mozgó mágnes elektromágneses indukcióval áramot hoz létre a vezetőben. Egy szupravezető azonban valójában teljesen kiszorítja a mágneses mezőket azáltal, hogy felületi áramokat indukál.
K: Mi az a Meissner-effektus?
V: A Meissner-effektus az, amikor ahelyett, hogy átengedné a mágneses mezőt, a szupravezető úgy viselkedik, mint egy ellenkező irányba mutató mágnes, amely taszítja a valódi mágnest. Ezt úgy lehet demonstrálni, hogy egy szupravezetőt lebegtetünk a mágnesek fölött, vagy fordítva.
Kérdés: A nagy mágneses tér tönkreteszi vagy fokozza a szupravezetést?
V: A nagy mágneses terek elpusztítják a szupravezetést, és visszaállítják a normál vezető állapotot.
