A szélsőségesen alacsony hőmérséklet fizikája

-20°C-os külső hőmérséklet nagyon alacsonynak, a +40°C nagyon magasnak tűnik, de Sólyom Jenő előadásában a Mindentudás Egyetemén olyan hőmérsékletek titkairól volt szó, mint az abszolút nulla fok, vagy a keletkező világegyetem hőmérséklete – ezeket senkinek sem lehet módja megtapasztalni.

SÓLYOM JENŐ ELŐADÁSA

A szerves élet csak viszonylag keskeny hőmérséklet-tartományban lehetséges. Pedig a természetben ennél sokkal hidegebb és melegebb is előfordul. Mindennapi tapasztalataink inkább a melegebb hőmérsékletekről vannak.

A VILÁGEGYETEM VÁLTOZÓ HŐMÉRSÉKLETE

Jelenlegi ismereteink szerint az univerzum a mintegy 12-15 milliárd évvel ezelőtt történt ősrobbanással (Nagy Bumm) keletkezett. A rendkívül forró, nagy energiasűrűségű univerzum gyorsan tágult és hűlt. Az ősrobbanás utáni egymilliomod másodpercben 1013 fok, egyszázad másodperc múlva már csak mintegy 1011 fok volt a hőmérséklet, ekkor még két nagyenergiájú foton ütközéséből szabadon keletkeztek az elektron-pozitron párok, de a nehezebb tömegű részecske-antirészecske párok már nem. 1 másodperc múlva 1010 fokra, további két másodperc múlva már 109 fokra csökkent a hőmérséklet. A fotonoknak már nem volt elég energiája elektron-pozitron párok keltésére, viszont beindulhatott az atommagok szintézise. A protonokból és neutronokból keletkezett héliumatomok stabilisan fennmaradhattak. Ezután viszont több százezer évnek kellett eltelnie, mire az univerzum annyira lehűlt, hogy az atommagok az elektrosztatikus erők révén az elektronokat magukhoz tudták kötni, és semleges atomok keletkezhettek. A további évmilliárdok alatt oda jutottunk, hogy a világűrt ma egy mintegy 3 K-es (kelvin fokos) hőmérsékletnek megfelelő kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás tölti meg. Ilyen alacsony lenne a kozmosz hőmérséklete, ha termikus egyensúlyban lenne. Szerencsére nem ez a helyzet: a csillagokba tömörült anyag sokkal magasabb hőmérsékletű, de a Földnek az emberi életet lehetővé tevő klímája is a termikus egyensúly hiánya miatt lehetséges.

Kísérletileg a világegyetem keletkezésének a hőmérsékletét nem tudjuk előállítani, ma a legnagyobb részecskegyorsítókban 200 GeV, vagyis 200x109 eV energiát lehet elérni, de a tervek szerint hamarosan 7 TeV, vagyis 7x1012 eV is elérhető lesz. Ezzel olyan ütközések lesznek vizsgálhatók, amelyek egy 1016 fokos rendszerben játszódnának le (ez egymilliárdszor lenne nagyobb a Nap felszíni hőmérsékleténél).

Alacsony hőmérséklet alatt fizikai értelemben a nulla ponthoz közeli, néhány kelvin hőmérsékletű tartományt értjük, extrém alacsony hőmérsékletnek pedig a millikelvin vagy annál alacsonyabb hőmérsékleteket. Ma már ilyen rendkívül alacsony hőmérsékleteket is elő lehet állítani.

KĺSÉRLET AZ ABSZOLÚT NULLA FOK FELÉ

A kvantummechanikából tudjuk, hogy egy véges méretű dobozba zárt, de egyébként szabad részecskék gázában az egyes részecskék csak jól meghatározott energiájú állapotokban lehetnek. Ha ez a gáz termikus egyensúlyban van a környezetével, a részecskék onnan energiát nyerhetnek vagy oda energiát adhatnak le, az egyes állapotokat a hőmérséklettől függő valószínűséggel töltik be a részecskék. Feltéve, hogy bármelyik energiaszinten akárhány részecske lehet, magas hőmérsékleten magasan fekvő energiaszinteken is találunk részecskéket. Klasszikus, megkülönböztethető részecskék esetén az átlagos energia arányos lenne a hőmérséklettel. A kvantummechanika szerint a részecskék megkülönböztethetetlenek, s ezért az ál-lapotok átlagos betöltöttségét a klasszikustól eltérő Bose-Einstein-féle eloszlási függvény adja meg.

A hőmérséklet csökkenésekor egyre kevesebb részecske rendelkezik nagy energiával. Energiájukat a környezetnek átadva alacsonyabb energiájú állapotba kerülnek. Ha az abszolút nulla fokot elérhetnénk, minden részecske a legalacsonyabb energiájú állapotban lenne. De ha elég nagy számú részecskéről van szó, már egy kísérletileg elérhető hőmérsékleten bekövetkezik az, hogy nagy számban lesznek részecskék ezen a legalacsonyabb nívón. Ez a Bose-Einstein-kondenzáció. A jelenség elméleti megjóslásától a kísérleti megvalósításig hét évtized telt el. 1995-ben sikerült először Eric Cornellnek és Carl Wiemannak nagy mágneses térben együtt tartott rubídiumatomokat olyan alacsony hőmérsékletre lehűteni, hogy a kondenzáció bekövetkezzék. Lézeres hűtéssel a száz nanokelvin hőmérsékletnek megfelelő tartományig kellett lemenni. Ilyen alacsony hőmérsékleten a mérésekben jól látható egy egyre növekvő csúcs az atomok sebességeloszlásában a nulla sebességnél. A kísérlet kétségtelenül technikai bravúr volt, melyért Cornell és Wiemann jogosan kapta meg a Nobel-díjat.

A SZUPRAVEZETÉS KVANTUMOS JELENSÉG – MAKROSZKOPIKUS MÉRETEKBEN

A fémes szilárd testekben az ionok által alkotott rácsban igen nagy számú elektron mozog majdnem szabadon, természetesen mindig eleget téve a Pauli-elvből adódó kizárásnak. Ezért a fémek szobahőmérsékleti viselkedését is csak a kvantummechanikai elvek figyelembevételével lehet megérteni.

Az abszolút nulla hőmérséklet közelében azonban a szokásos fémes viselkedéshez képest új jelenség, szupravezetés léphet föl. Az anyagtól függő kritikus hőmérsékleten a fém ellenállása hirtelen nullára eshet le. A jelenséget először higanyon figyelték meg. Azóta az elemek egy soránál és rengeteg vegyületnél is ugyanilyen viselkedést tapasztaltak. Érdemes megjegyezni, hogy nem a legjobb fémek válnak szupravezetővé, hanem gyakran a kevésbé jók, sőt nagy nyomáson olyan anyagok is, melyek egyébként nem is fémesek. De mi történik az elektronokkal a szupravezető állapot kialakulásakor?

Az elektron terjedése közben az ionokat rezgésbe hozhatja, egy hullámot kelthet. Ez a hullám a kvantummechanika szerint részecskének is tekinthető, neve fonon. Azt mondjuk, hogy az elektron egy ilyen részecskét, 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. Ezt nevezzük Cooper-párnak.

Ez a pár már nincs alávetve a Pauli-elvnek, akár a rendszer összes elektronja is ugyanolyan típusú párba kondenzálódhat. Ezt föltételezve dolgozta ki John Bardeen, Leon Cooper és Richard Schrieffer a szupravezetés elméletét. Ezt a kondenzálódást legjobban az alagútjelenségben figyelhetjük meg, amely szintén a kvantummechanika egyik érdekes következménye (ahogy arról Mihály György is beszélt a Mindentudás Egyetemén). Ha két fém között keskeny szigetelő réteg található, az elektronok akkor is átjuthatnak az egyik oldalról a másikra, ha nincs elég energiájuk átmászni a falon. Mivel a hullámfüggvény mindkét oldalról belóg a szigetelőbe, ezen keresztül, a fal alatt jutnak át az egyik oldalról a másikra. A Pauli-elv miatt azonban csak korlátozott mértékben alagutazhat át egy elektron a másik oldalra, hiszen általában ott már betöltött állapotokat talál. A Cooper-párok esetében a szupravezető oldalakat tartalmazó alagútátmenetben akkor is folyhat áram, ha a két oldal között nincs feszültségkülönbség. Ezt nevezzük Josephson-jelenségnek.

MIRE JÓK A SZUPRAVEZETŐK?

Ezek az elméleti kutatások számos gyakorlati alkalmazás lehetőségét nyitották meg, s a további távlatok is beláthatatlanok. Például az agykéreg elektromos tevékenységének megjelenítésére szolgál a mágneses enkefalográfia. Segítségével az elektromos tevékenységgel együtt járó igen kicsi mágneses teret lehet mérni. Az eljárást, amelynek SQUID a neve, természetesen katonai célokra is alkalmazzák, hiszen aknák vagy tengeralattjárók detektálására is használható.

Vannak olyan elképzelések és kezdeti eredmények, melyek szerint a Josephson-jelenségre építő mikrochipekkel rendkívül gyors, a mai leggyorsabb számítógépeknél nagyságrendekkel gyorsabb, másodpercenként sokkal több műveletet elvégző számítógépek építhetők.

A legtermészetesebb alkalmazás az lehetne, hogy kihasználjuk, hogy szupravezető drótban ellenállás nélkül folyik az áram, a drót nem melegszik föl, nincs hőtermelés, nincs veszteség. Távvezetékként nyilván nem használhatunk szupravezetőt, hiszen azt folyamatosan hűteni kellene, s az ehhez szükséges energia nagyobb lenne, 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.

Elképzelhető, hogy a következő évtizedekben a szupravezető generátorok is szerepet kapnak az elektromos áram termelésében. A mai leggyakoribb alkalmazás azonban azzal kapcsolatos, hogy szupravezető tekercsben jól szabályozható nagyságú, igen nagy intenzitású mágneses teret tarthatunk fent. Ezt alkalmazzák a Mihály György előadásában említett mágneses rezonancia tomográfban, vagy 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, 500 km/órát meghaladó sebességgel, súrlódás nélkül száguld.

Ugyancsak a szupravezető mágnesek teszik lehetővé, hogy nagy részecskegyorsítókban, mint a Genf melletti CERN most épülő Nagy Hadron Ütköztetőjében (Large Hadron Collider) vagy az Egyesült Államokban Brookhaven mellett már működő Relativisztikus Nehézion Ütköztetőben (RHIC) olyan energiákat érjenek el, hogy ezek segítségével az univerzum keletkezésének titkait lehessen kísérletileg vizsgálni.

LEHETSÉGES-E SZUPRAVEZETÉS MAGASABB HŐMÉRSÉKLETEN?

Mindeddig úgy tűnt, hogy ezek a jelenségek igen alacsony hőmérsékleten, az abszolút nulla pont közelében figyelhetők csak meg. Sokáig valóban ez volt a helyzet. A 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 még a múlt század 80-as éveinek közepén is csak mintegy 23 K volt a legmagasabb átalakulási hőmérséklet. Ekkor robbanásszerű változás következett be. Teljesen váratlanul 40, aztán közel 100, majd 130 K körüli átmeneti hőmérséklettel rendelkező anyagokat találtak. A jelenleg ismert legmagasabb átmeneti hőmérséklet légköri nyomáson mérve 138 K, vagyis Celsiusban -135 fok, ami azért még mindig igen alacsony hőmérséklet.

Nem kizárt, hogy a kutatók rövid időn belül olyan anyagokra találnak, melyek szobahőmérsékleten is szupravezető tulajdonsággal rendelkeznek, s akkor az alkalmazások is sokkal könnyebbé válnak.

Készítette az M&H Communications szabad felhasználásra, a szerzői jogok korlátozása nélkül.