Redakcja: Za co przyznana została Nagroda Nobla z fizyki w 2003 roku?

Prof. Andrzej Wiśniewski: Nagrodę Nobla w 2003 r. otrzymali rosyjscy profesorowie Witalij Ginzburg i Aleksiej Abrikosov oraz Anglik Anthony Leggett. Wszyscy trzej nagrodzeni byli teoretykami, a więc nagroda została przyznana za prace teoretyczne. Ginzburg i Abrikosov dostali ją za swoje badania w dziedzinie nadprzewodnictwa, natomiast Leggett za prace poświęcone zjawisku nadciekłości izotopu hel-3.

Zjawisko nadprzewodnictwa odkryto w 1909 r., czyli już ponad 100 lat temu. Z początku dowiedziono, że w pewnych metalach, z których pierwszym była rtęć, opór w bardzo niskich temperaturach spada do zera. Spadek oporu do około 4 stopni Kelvina w przypadku rtęci, odkrywca zjawiska, Holender Kamerlingh Onness, nazwał zaś nadprzewodnictwem. Mniej więcej 20 lat później okazało się, że temu procesowi towarzyszy inny bardzo istotny efekt, a mianowicie to, jak nadprzewodnik reaguje na zewnętrzne pole magnetyczne. Zdano sobie sprawę, że jeszcze bardziej charakterystyczną cechą nadprzewodnictwa niż spadek oporu do zera jest fakt, iż indukcja magnetyczna we wnętrzu nadprzewodnika wynosi 0. Innymi słowy, nadprzewodnik wypycha ze swojego wnętrza strumień pola magnetycznego. Dzieje się to w ten sposób, że jeżeli do nadprzewodnika przyłożymy zewnętrzne pole magnetyczne, to na jego powierzchni zostaje wzbudzony prąd nadprzewodzący, który krążąc po powierzchni nadprzewodnika posiada taką wartość i płynie w takim kierunku, żeby wytworzone przez niego pole magnetyczne kompensowało do zera indukcję magnetyczną we wnętrzu nadprzewodnika.

Taki mniej więcej stan wiedzy doświadczalnej posiadał Ginzburg. Nie znano jeszcze wtedy mikroskopowego mechanizmu zjawiska, gdzie na poziomie elementarnych oddziaływań bylibyśmy w stanie wytłumaczyć, jak np. opór spada do zera. Jeśli w metalu, czyli w dobrym przewodniku, złożonym z sieci dodatnio naładowanych jonów i „morza swobodnych elektronów”, przyłożymy zewnętrzne pole elektryczne, wówczas nadamy elektronom ruch. Dzięki temu popłynie prąd elektryczny, ale jony stanowiące jakby sieć krystaliczną, z której składa się materiał będą drgać. Zderzenia elektronów z tymi drgającymi jonami jest właśnie źródłem oporu elektrycznego. Można się domyślać, że im niższa będzie temperatura, tym mniejsze staną się drgania tej sieci krystalicznej, a opór powinien być coraz mniejszy i to faktycznie się obserwuje. Wraz z obniżaniem temperatury opór jest coraz mniejszy, ale drgania np. w 4 Kelvinach, czyli w temperaturze, w której opór rtęci spadł do zera nie są wcale pomijalne. Widać było więc, że istnieje inny mechanizm powodujący, iż nośniki prądu przestają być rozpraszane, ponieważ brak oporu dowodzi, że nośniki prądu rozpraszane nie są.

Podejście Ginzburga do tego zagadnienia było dosyć uniwersalne. Skorzystał on bowiem z teorii przejść fazowych, rozwiniętej wcześniej razem ze swoim mistrzem, a później współpracownikiem, wybitnym fizykiem Lwem Landauem. Teoria przejść fazowych odnosi się do bardzo wielu zjawisk. Styka się z nimi każdy z nas, ponieważ przykładami przejść fazowych jest choćby przemiana wody w lód, lodu w wodę albo cieczy w parę. Stan, w którym dany materiał nie jest nadprzewodzący nazywamy stanem normalnym, poniżej pewnej temperatury mówimy zaś o stanie nadprzewodzącym i to przejście od stanu normalnego do nadprzewodzącego jest również przykładem przejścia fazowego.

Ginzburg tę opracowaną ogólnie wcześniej teorię zastosował do nadprzewodnictwa, co okazało się bardzo skuteczne. Była to tzw. teoria fenomenologiczna, w ramach której nie trzeba było rozumieć dokładnie mechanizmu mikroskopowego. Nie tłumaczyła ona, dlaczego opór jest równy zero, ale bardzo dobrze przewidywała zachowania nadprzewodników. Dzięki niej fizycy zyskali niezwykle ważne równania i parametry charakteryzujące nadprzewodnik, takie jak głębokość wnikania pola magnetycznego dla każdego materiału czy długość koherencji, czyli odległość, która określa, jak szybko stan nadprzewodzący zanika na granicy w stan normalny. Te bardzo istotne mikroskopowe wielkości można było następnie powiązać z innymi parametrami, które fizyk badający taki materiał doświadczalnie jest już w stanie zmierzyć. Można powiedzieć, że nie ma w tej chwili fizyka, który zajmowałby się nadprzewodnictwem i w praktyce nie korzystał z wzorów wyprowadzonych właśnie w ramach teorii opracowanej przez Ginzburga.

Mówiłem o tym, że nadprzewodnik zachowuje się w polu magnetycznym w taki sposób, że na jego powierzchni zaczyna krążyć prąd nadprzewodzący, co określa się jako ekranowanie jego wnętrza. Jeżeli zwiększamy natężenie pola magnetycznego, to prąd musi mieć odpowiednio większe natężenie, tak żeby wytwarzać silniejsze pole magnetyczne. Można sobie oczywiście zadać pytanie, czy tak może się dziać w nieskończoność? Czy w miarę zwiększania pola magnetycznego nadprzewodnik zawsze będzie w stanie ekranować swoje wnętrze? Odpowiedź na to pytanie brzmi „nie”. Jest to dosyć oczywiste, ponieważ jeśli stan nadprzewodzący realizuje się poniżej pewnej temperatury, to dlatego, że jest to stan energetycznie korzystniejszy. Żeby po powierzchni nadprzewodnika mógł krążyć prąd, ten nadprzewodnik musi dostarczać pewną energię. Jeżeli okazuje się, że ten wydatek energetyczny na wytworzenie prądu nadprzewodzącego, który ekranuje wnętrze nadprzewodnika jest zbyt duży, to korzystniejszy okazuje się stan normalny, czyli innymi słowy, silnym polem magnetycznym możemy zniszczyć stan nadprzewodzący.

Oglądaj całość