Ülijuhtivus, ülinähtavus, ülivoolavus – neid tuntakse 100 aastat, ent mis need on?

 (20)
Süvaülevaade
Ka plast võib olla ülijuht
Ka plast võib olla ülijuht

Jama?! Ei, avastus? Jah, avastus! See oli sada aastat tagasi, ühel aprillipäeval 1911, Hollandi põlises ülikoolilinnas Leidenis. Füüsikaprofessor Heike Kamerlingh Onnese noorepoolne assistent Gilles Holst oli kummargil mõõteriistade kohal. Kuid ta oli üsna nõutu. Töö, mis professor talle teha andis, ei laabunud kuidagi.

Ta pidi mõõtma elavhõbeda elektritakistuse muutumist temperatuuri alanedes, kuni absoluutnullile ligi. Kuid kui heade elektrijuhtide, näiteks kulla ja hõbeda takistus küll nõnda valjus külmas sujuvalt kahanes, siis elavhõbeda takistus kadus 4 K (–269 °C) ligiduses sootuks. Mis takistuse kahanemist sa mõõdad, kui takistust pole ollagi!

Saabus professor ise. Küsis tulemusi näha. Poolkogeldes seletas noorhärra Holst talle olukorra. Professor vihastus: «Ei mõista te ka midagi mõõta ega ...» Istus torisedes aparaatide taha. Aga mida pole, seda pole – külmutatud elavhõbeda takistust nimelt. Mõõtis korra, mõõtis kaks, ja siis veel palju kordi. Koos kontrollisid nad üle kõik kontaktid, klemmid ja ühendused. Tulemus jäi samaks. Äkki siis polegi lihtsalt jama, vaid on hoopis – avastus, kirjutab Tarkade Klubi.

Kui valite mis tahes teatmeallikas otsingusõnaks «ülijuhtivus», on enamasti ikka selle avastajana märgitud Kamerlingh Onnes, kuigi tegelik avastaja oli hoopis Holst. Kuid mööngem, Kamerlingh Onnese labor Leidenis oli tollal maailmas ainus koht, kus oli võimalik ülijuhtivust avastada: ainult seal suudeti katsekehi jahutada vedelas heeliumis küllalt madala temperatuurini. Esimene heeliumi veeldaja loodi seal 1908. aastal Kamerlingh Onnese juhtimisel.

Seotud lood:

Mis on ülijuhtivus? Elektritakistuse tingib elektrivälja toimel liikuvate elektronide hajumine lisanditel ja muudel kristallivõre defektidel. Juhtivus on elektritakistuse pöördväärtus. Mida suurem juhtivus, seda väiksem (eri)takistus. Kui takistus sootuks kaob, ongi tegemist ülijuhtivusega. Miks ülijuhtivus tekib? Kaua ei osanud seda keegi seletada, Leideni füüsikud kaasa arvatud. Kamerlingh Onnes taipas küll, et nähtus peab kuidagi olema seotud kvantfüüsikaga. Aga kuidas täpselt, seda ei mõistnud temagi arvata.

Mõnesuguseid rehkendusi tegid Vene suurfüüsikud Landau ja Ginzburg. Kuid palju jäi ometi ebaselgeks.

Ülijuhtivuse lõpetatud ja kooskõlalise teooria andis alles pool sajandit pärast nähtuse avastamist, 1957. aastal, Ameerika füüsikute kolmik: Cooper, Bardeen ja Schrieffer.

Ajakirja Tarkade Klubi viimases numbris:
- Mis juhtus Jaapanis?
- Milliseid otsuseid teeb ahv meie sees?
- Naised, kes on mehed
- Kopterid Liibüa kohal
- 100 aastat ülijuhtivust
- Elektriautodele uued akud tulekul

Nemad seletasid asja elektronpaaride tekkimisega ülijuhis. Mõneti lihtsustatult võib seda protsessi kujutleda nii: negatiivse laenguga elektron, liikudes positiivsete metalliioonide keskel, tõmbab ioone enda poole. Elektroni ümber tekib positiivne laengupilv. See tõmbab endasse teist kristallivõres ekslevat elektroni. Nõnda jäävad nad paariks, kaksikelektroniks.

Et selline paardumine võimalik oleks, peavad kummagi elektroni spinnid olema vastassuunalised. Spinni koguväärtus paaris on siis null. Tähendab, elektronidest kui fermionidest moodustunud paar osutub nullspinniga kvaasiosakeseks, s.o bosoniks (loe ka lisalugu «Bosonid ja fermionid»). Kuid bosonid võivad kuhjuda madalaimale võimalikule energiatasemele. Kujuneb olek, mida nimetatakse kondensaadiks.

Elektriväljas triivib kondensaat kui ühtne tervik. Selle liikumist ei takista miski. Ongi käes ülijuhtivus. Kondensaadi energiaspektris tekib keelupilu, mida küllalt madalal temperatuuril (allpool kriitilist) elektronpaarid ei suuda ületada.

Märkigem veel, et ülijuhtivus püsib üksnes teatava kriitilise voolutugevuseni ja välise magnetvälja tugevuseni. Kui need ületatakse, taastub metalli tavatakistus, samuti kui lävitemperatuuri ületamiselgi. Muidugi on kõik need näitajad eri metallides erinevad.

Varsti pärast elavhõbeda ülijuhtivuse avastamist suudeti ülijuhtivaks muuta ka teisi metalle, nt tina ja nioobiumi, ja sulameid, millest parimaks osutus nioobiumi ja titaani sulam. Sellest õnnestus tõmmata traati ülijuhtpoolide valmistamiseks. Kui valmistada rõngas ülijuhist ja tekitada selles (näiteks indutseerides) ringvool, jääbki see kahanemata tsirkuleerima, vähemasti aastateks, või veel kauemgi.

Ülijuhtivaks ei muutu kui tahes madalal temperatuuril metallid, mis on toatemperatuuril parimad elektrijuhid, näiteks vask ja kuld.
Ülijuhtivuse uurimine ja rakendamine said hoogu, kui Johannes Georg Bednorz ja Karl Alexander Müller avastasid Šveitsis Zürichis 1986. mõnede keraamiliste katsendite kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse. «Kõrgtemperatuurne» on tinglik termin, esialgu tähendas see, et õnnestus tekitada ülijuhtivust temperatuuridel üle 30 Kelvini kraadi (–243 °C).

Ülijuhtivuse rakendusi on rohkesti.

Osakeste kallutusmagnetid suurtes ringkiirendites on ülijuhtsolenoidid. Tihti on ülijuhtsolenoidid tegevad ka meditsiinilistes diagnostikaseadmetes, eeskätt tomograafides. Levinud on tundlikud magnetvälja mõõturid, skviidid (ingl SQUID – superconductive quantum interference devices, e k tundlikud kvantinterferentsseadised). Need põhinevad Josephsoni siiretel, kihtstruktuuridel, milles on tavajuhist kile kahe ülijuhikihi vahel.

Sedasorti «kihttorte» on leida ka teatavat tüüpi arvutite toimesõlmedes. Nendest saab valmistada ülitundlikke magnetvälja tajureid, samuti supervoltmeetreid, mis mõõdavad 1000 korda madalamaid pingeid kui tavariistad. Rakendades organismis biovoolude ajel tekkivaid kaduvväikesi magnetvälju, on loodud aju- ja südametõbede diagnostikaseadmeid. Skviid-magnetomeetreid rakendatakse samuti geoloogias, adumaks muistseid Maa magnetvälja muutusi kivimites. USA merevägi tarvitab skviid-magnetomeetreid õhinal sukeldunud allveelaevade otsinguks.

Hõljumine, Meissneri efekt

Ülijuhtidel on veel üks huvitav eripära: nad tõrjuvad endast välja magnetvälja. Selle nähtuse avastasid 1933. aastal sakslased Walther Meissner ja Robert Ochsenfeld. Nõrgas magnetväljas tõrjub ülijuht endast magnetvälja. Ülijuhi pinnakihis tekivad magnetväljas elektrivoolud. Nende voolude magnetväli kompenseerib väliselt rakendatud magnetvälja ülijuhi seesmuses. See efekt ei vaibu ajas ja juhtivust võib pidada lõpmatult kestvaks.

Meissneri efektil rajaneb üks ülijuhtivuse efektsemaid demonstratsioone: kui jahutada ülijuht nulltakistuseni, jääb ülijuhi kohale asetatud väike magnet õhku hõljuma (levitatsioon). Põhjuseks on ülijuhi ja püsimagneti väljade vastastikune tõukemõju.

Vaata videost efektset katset levitatsioonist:

Ülinähtus, ülivoolavus

Aastal 1937 avastas Vene füüsik Pjotr Kapitsa, ühtaegu kanadalaste John Frank Alleni ja Austin Donald Miseneriga, veel ühe «ülinähtuse» – ülivoolavuse. Ülivoolav vedelik voolab anumast välja kui tahes peente avade kaudu, samuti üle anuma servade, otsekui keeks ta üle, samuti läbib takistuseta peeneid kapillaare. Ülivoolavasse vedelikku pistetud kapillaarist paiskub välja väike purskkaev, mis toimib ilma mingi välisjõuta. Jah, arvasite õigesti: ülivoolavaks muutub ikka seesama veeldatud heelium, allpool lävitemperatuuri 2,2 K ehk umbes –271 °C. Nii käreda külmani jõudmiseks tuleb alandada rõhku veeldatud heeliumi anumas (pumpamise teel).

Ülijuhtivust võib käsitada ka kui elektrongaasi ülivoolavust.

Terminid: bosonid ja fermionid

Aine algosakesed jagunevad kaheks suureks pereks: bosoniteks ja fermionideks. Esimesed on nime saanud India füüsiku Satiendranath Bose’i järgi, fermionid tulenevad Itaalia-Ameerika füüsiku Enrico Fermi nimest. Bosoneid eristab fermionidest spinni väärtus: bosonitel on see null või täisarvuline, fermionidel – poolearvuline: ½, 3/2 jne. Bosonid on «kariloomad», täidavad energiataseme ikka hulgiti. Fermionid on seevastu individualistid, täpsemalt – paarihoidvad. Nemad istuvad energiatasemetele ikka kahekesi, ühel spinn üht-, teisel teistpidi.

Auhinnad: külmafüüsika valdkonna nobelistid

1913 Heike Kamerlingh Onnes (katsed madalail temperatuuridel, sh heeliumi esmaveeldamine)
1972 John Bardeen, Leon Cooper, Robert Schrieffer (ülijuhtivuse teooria)
1973 Brian Josephson (Josephsoni siirded)
1978 Pjotr Kapitsa (heeliumi ülivoolavus)
1987 Johannes Georg Bednorz, Karl Alexander Müller (kõrgtemperatuursed ülijuhid)
2003 Aleksei Abrikossov,Vitali Ginzburg, Anthony Leggett (panus ülijuhtivuse ja ülivoolavuse teooriasse)

Jälgi Forte uudiseid ka Twitteris!