Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo S2 – vyšlo 24. listopadu, ročník 1 (2003) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

S2/2003

Nobelovy ceny za fyziku v roce 2003

Lukáš Kupka

Některé jevy v mikrosvětě se nám na první pohled můžou zdát velmi zvláštní a nepochopitelné, protože pro ně nemáme analogii v běžném makrosvětě kolem nás. Tyto jevy popisuje kvantová teorie, ale existují také jevy, kdy můžeme kvantové chování pozorovat i vlastníma očima. A právě dva z nich si letos zasloužily zvláštní pozornost Švédské královské akademie věd - supravodivost a supratekutost. Oba jevy se projevují při velmi nízkých teplotách a teoreticky jsou popisovány kvantovou teorií. Dne 7. října 2003 ocenila Královská švédská akademie věd tyto laureáty Nobelovy ceny za fyziku: Alexeje Alexejeviče Abrikosova a Vitalije Lazareviče Ginzburga za objasnění supravodivosti a Anthony J. Leggetta za vysvětlení jednoho z typů supratekutosti. Slavnostní předávání Nobelových cen se uskuteční 10. prosince 2003 v den stosedmého výročí Nobelova úmrtí. O finanční odměnu 10 miliónů švédských korun se laureáti podělí rovným dílem.

Supravodivost

Tento jev poprvé pozoroval a pojmenoval holandský fyzik Heike Kamerlingh Onnes a to již v roce 1911. Onnes zkoumal měrnou elektrickou vodivost rtuti při teplotě několika kelvinů a zjistil, že elektrický odpor rtuti při této teplotě klesá, až zmizí. Nízké teploty rtuti dosáhl pomocí kapalného helia, které se mu podařilo zkapalnit o tři roky dříve. Ačkoli v té době nebylo známo jakékoli teoretické vysvětlení jevu, bylo evidentní, že v moderní společnosti bude mít supravodivost dalekosáhlý význam. Onnes byl oceněn za tuto práci Nobelovou cenou za fyziku v roce 1913. Později byl pozorován experiment, kdy v supravodivých prstencích protékal elektrický proud po dobu delší než jeden rok bez jakéhokoli odporu (experiment pak musel být přerušen) a zjistilo se, že unikátní jsou také magnetické vlastnosti supravodičů.

Uběhlo téměř 50 let, než fyzikové John Bardeen, Leon Cooper a Robert Schrieffer prezentovali teorii, která vysvětlovala supravodivost, a také za to byli oceněni Nobelovou cenou za fyziku v roce 1972. BCS teorie (název vznikl podle prvních písmen příjmení) vysvětluje supravodivost pomocí dvojic vázaných elektronů, které se nazývají Cooperovy páry. Tyto páry se chovají jako bosony, mohou být ve stejném kvantovém stavu a volně se pohybovat v kovu krystalovou strukturou z kladně nabitých iontů. Výsledkem je volně tekoucí proud neboli supravodivost. Jenže tato teorie vysvětluje pouze supravodiče, které ztrácí supravodivé vlastnosti v silných magnetických polích (jde výhradně o kovy). Tyto supravodiče se nazývají supravodiče I. typu a je pro ně typický Meissnerův jev, kdy je magnetické pole ze supravodiče vytlačeno do okolí a supravodič se chová jako ideální diamagnetikum. Pokud magnetického pole přesáhne určitou hodnotu, supravodivost zmizí. Toto se ale neděje u supravodičů II. typu, což jsou zejména slitiny různých kovů a kompozitní materiály obsahující měď i nekovové složky. Tyto látky vykazují supravodivost i ve velmi silných magnetických polích a ke ztrátě supravodivosti dochází až při více než stokrát silnějších magnetických polích než u I. typu.

Supravodiče I. a II. typu v silném magnetickém poli.
Na obrázku vlevo je znázorněn Meissnerův jev.

Experimenty ukázaly, že supravodiče II. typu nemohou být popsány pomocí BCS teorie. Až Alexej Abrikosov teoreticky popsal tyto supravodiče. Ve své práci navázal na výzkumy Vitalije Ginzburga a Lva Landaua, kteří se supravodivostí zabývali v 50. letech dvacátého století a popsali chování tehdy známých supravodičů. Abrikosov byl schopen pomocí parametru uspořádání (vlnové funkce) matematicky popsat, jak může externí magnetické pole proniknout materiálem a jak se materiál chová při zvyšování intenzity magnetického pole. Magnetické pole prochází skrz elektronové víry, které jsou uspořádány do mříže. Tento popis byl průlomem ve studiu nových supravodivých materiálů a je stále častěji užíván ve vývoji a analýze nových supravodičů a magnetů.

Abrikosovova mříž vírů u supravodičů II. typu.

Naše znalosti a výhodné vlastnosti supravodivosti vedou k různým aplikacím. Stále jsou objevovány nové látky, které mají supravodivé vlastnosti již při vyšších teplotách, dnes už jsou známy supravodivé látky i při 200 K. Všechny tyto supravodiče jsou II. typu. První vysokoteplotní supravodič byl připraven dvojicí fyziků Johannesem Bednorzem a Karlem Müllerem, kteří za to obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1987. Nejvíce omezujícím faktorem pro použití supravodičů je chlazení. Důležitou hranicí je teplota 77 K (−196°C), což je teplota varu kapalného dusíku, který je levnější a lépe se s ním pracuje než s kapalným heliem.

Praktickými aplikacemi supravodivosti jsou například lékařské přístroje pro snímkování živých tkání na principu nukleární magnetické rezonance (NMR), magnetické vlaky (superexpresy typu MagLev) a ochlazování některých komponent sítí mobilních operátorů. Jako zajímavost uveďme, že Nobelovou cenou za lékařství v roce 2003 byly oceněny objevy v oblasti magnetické rezonance (Peter Mansfield a Paul C. Lauterbur). Tato metoda využívá právě poznatků o supravodivosti. Generální tajemník akademie věd Gunnar Öquist však příbuznost vyznamenaných oborů označil za shodu okolností.

Magnetorezonanční obraz lidského mozku. Rozlišení
magnetorezonanční kamery je částečně závislé
na síle magnetického pole, k vytváření tohoto pole
se dnes používají supravodivé magnety II. typu.

Supratekutost

Hélium, lehký vzácný plyn, existuje v přírodě ve dvou izotopech. Obvyklá forma je He 4, což znamená, že v atomovém jádře jsou dva protony a dva neutrony. Druhá, méně obvyklá forma je He 3. Tento lehčí izotop (obsahuje jenom jeden neutron) se v přírodě vyskytuje asi deset milionkrát méně než těžší izotop. Proto větší množství izotopu He 3 bylo možné produkovat jen v posledních padesáti letech, například v atomových elektrárnách. Při normálních teplotách se plyny z těchto dvou izotopů liší jen v jejich atomových vahách. Jestliže hélium chladíme na nízké teploty, přibližně na 4 K (−269,15°C), tak kondenzací přejde do kapalné fáze. Kapalné hélium je široce užívané k chlazení, například u supravodivých magnetů. V tomto případě se samozřejmě používá hélium vyskytující se v přírodě. Pokud hélium chladíme ještě na nižší teploty, tak se zvýrazní rozdíly mezi kapalinami z obou dvou izotopů. Kapalné hélium ztrácí vnitřní tření (má nulovou viskozitu) a stává se supratekutinou. Pro dva izotopy helia nastává tento jev při rozdílných teplotách a vysvětlit se dá jen pomocí kvantové fyziky.

Skutečnost , že He 4 se stává supratekutým, objevil Petr Kapica již koncem třicátých let 20. století. Teoreticky vysvětlil tento jev mladý Lev Landau a oba byli oceněni Nobelovou cenou za fyziku. Přeměna z normální na supratekutou kapalinu, což se pro He 4 děje při teplotě asi 2 K, je příkladem Bose-Einsteinovy kondenzace. Tento proces byl v poslední době pozorovaný i v plynech alkalických kovů a v roce 2001 za něj Erik Cornell, Wolfgang Ketterle a Carl Wieman obdrželi Nobelovu cenu za fyziku. Supratekutý izotop He 3 byl objeven až počátkem sedmdesátých let 20. století a postarali se o to fyzikové David Lee, Douglas Osheroff a Robert Richardson (Nobelova cena za fyziku pro rok 1996). Bylo to později než objev supratekutého He 4, protože supratekutost u izotopu He 3 nastává při teplotě tisíckrát nižší než u izotopu He 4. Tento objev byl očekáván, He 3 nemůže jako fermion podstoupit Bose-Einsteinovu kondenzaci, ale díky mikroskopické BCS teorii supravodivosti byl mechanismus supratekutosti již znám.

Anthony J. Leggett byl první, kdo uspěl v teoretickém vysvětlení vlastností supratekutin. Protože supratekutina He 3 obsahuje páry atomů, tak objasnění jejich vlastností je mnohem komplikovanější než u He 4. Zvláště páry atomů mají jiné magnetické vlastnosti, než atomy He 4. Kapalina je anizotropní a bylo zjištěno, že se může vyskytovat ve třech fázích, nazvaných A, A₁ a B. Tyto tři fáze mají rozdílné vlastnosti a jsou závislé na teplotě, tlaku a magnetickém poli. Leggett jako první zformuloval teorii, která vysvětluje, jak probíhá fázový přechod z fáze A do fáze B s nižší teplotou. Jeho teorie pomohly experimentátorům interpretovat výsledky a byly také prospěšné i v jiných oblastech fyziky, například v jaderné fyzice a kosmologii.

Supratekutina He 3 může existovat ve třech fázích
pojmenovaných A, A₁a B. Typ fáze je určen
tlakem, teplotou a magnetickým polem.

A na závěr popišme, jak supravodivost a supratekutost vypadá z pohledu kvantové fyziky. Elektrony i atomy He 3 jsou fermiony, tedy částice, které sdílejí stejný kvantový stav velmi neochotně. Pro tyto částice platí Pauliho vylučovací princip: dvě částice se nemohou nacházet ve stejném kvantovém stavu. Avšak při velmi nízkých teplotách mohou elektrony i atomy He 3 vytvářet páry. Tyto páry se chovají jako bosony, tedy částice, které mohou přecházet do jediného společného kvantového stavu. V případě supravodivosti se elektronové páry při velmi nízkých teplotách kolem 4 K chovají jako supravodivé. Supravodivé proudy protékají bez disipace energie. Supravodivými materiály navíc mohou procházet mnohem vyšší proudy, než běžnými kovovými vodiči. U supratekutosti chladíme vzorek atomů He 3 na velmi nízkou teplotu, atomy tvoří páry a ty mohou kondenzovat do společného kvantového stavu. V tomto stavu kapalné hélium teče bez ztráty energie způsobené vnitřním třením.

Rozdíl magnetických vlastností páru elektronů a atomů He 3.

Rok	Jméno	Jev
1913	H. K. Onnes (Nizozemí)	Výzkum vlastností látek při velmi nízkých teplotách, objevení supravodivosti, výroba tekutého helia.
1962	L. D. Landau (Rusko)	Teoretické vysvětlení supratekutosti He 4.
1972	J. Bardeen (USA) L. N. Cooper (USA) J. R. Schrieffer (USA)	Společně vytvořená teorie supravodivosti, obvykle zvaná BCS-teorie.
1978	P. Kapica (Rusko)	Objevy v oblasti fyziky nízkých teplot.
1987	J. G. Bednorz (Německo) K. A. Müller (Švýcarsko)	Významný přínos k objevu vysokoteplotní supravodivosti keramických materiálů.
1996	D. M. Lee (USA) D. D. Osheroff (USA) R. C. Richardson (USA)	Objev supratekutosti atomů He 3.
2001	E. Cornell (USA) W. Ketterle (Německo) C. Wieman (USA)	Dosažení Bose Einsteinova kondenzátu na parách kovů.
2003	A. A. Abrikosov (Rusko) V. L. Ginzburg (Rusko) A. J. Leggett (USA)	Teoretické objasnění supravodivosti a supratekutosti.

Stručné životopisy laureátů

Alexej Alexejevič Abrikosov se narodil 6. listopadu 1928 v Moskvě. Vystudoval Moskevskou státní univerzitu, na níž poté 20 let působil jako asistent a později řádný profesor. Titul Ph.D. získal v roce 1951 na Institutu pro fyzikální problémy za teorii tepelné difúze v plazmatu. Doktorem fyzikálních a matematických věd se stal v roce 1955 na témže institutu za práci "Kvantová elektrodynamika za vysokých energií". Do konce 80. let 20. století vedl oddělení teorie fyziky pevných těles na Landauově institutu teoretické fyziky v Moskvě a od poloviny 70. let do roku 1991 byl vedoucím oddělení teoretické fyziky na moskevském Institutu pro ocel a slitiny. Poté se stal zaměstnancem vědeckého ústavu pro výzkum materiálů v Argonnské národní laboratoři v Illinoa v USA, a doposud také přednáší na univerzitách v Utahu, Illinoia a Chicagu.

Vitalij Lazarevič Ginzburg se narodil 4. 10. 1916 v Moskvě. V roce 1938 promoval na Fyzikální fakultě Moskevské státní univerzity. V roce 1940 získal titul Ph.D. (CSc.) a o dva roky později titul DrSc. Byl žákem Igora Jevgenějiče Tamma, který se zabýval výzkumem termojaderné fúze při vývoji sovětské vodíkové bomby.Od roku 1940 do současnosti působí ve Fyzikálním ústavu P. N. Lebeděva v Moskvě, kde byl v letech 1971-1988 vedoucím teoretické oddělení I. J. Tamma. Od roku 1945 je profesorem na Gorkého státní univerzitě (dnes Nižnij Novgorod) a od roku 1968 profesorem na Moskevském institutu pro fyziku a technologii.Na počátku 90. let byl členem ruské parlamentní komise pro úlevy a privilegia. V současné době je také odborný poradce Ruské akademie věd. Je autorem několika stovek vědeckých prací a desítek knih věnovaných fyzice a astrofyzice. Kromě fyziky kondenzovaného stavu (Ginzburg-Landauova teorie supravodivosti, fázové přechody) se také zabývá problematikou fyziky plazmatu (šíření vln v plazmatu, teorie synchrotronního záření) a věnuje se i astrofyzice (původ kosmického záření, teorie radiového záření pulsarů, elektrodynamika černých děr). O Nobelově ceně novinářům řekl, že už v ni přestával věřit, po té co byl nominován skoro nepřetržitě po 30 let.

Anthony J. Leggett se narodil v roce 1938 v Londýně. Studoval na Oxfordské univerzitě a v roce 1964 zde také získal doktorský titul. Poté krátce působil na Illinoiské univerzitě a od roku 1967 přednášel na univerzitě v Brightonu ve Velké Británii, kde se stal v roce 1978 profesorem fyziky. Dodnes působí jako profesor fyziky na univerzitě v Illinoa v USA. Oblasti výzkumu, kterým se věnuje jsou teorie fyziky kondenzovaného stavu, nízkoteplotní jevy ve fyzice, statistická fyzika, makroskopické kvantové systémy a teorie kvantového měření.

Odkazy