Rafał IDCZAK: Zadziwiający świat niskich temperatur

TSF Jazz Radio

Zadziwiający świat niskich temperatur

Rafał IDCZAK

Doktor w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Wrocławskiego oraz w Instytucie Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN. Zajmuje się doświadczalnym badaniem tzw. egzotycznych nadprzewodników, które to badania mogą się przyczynić do powstania pełnej teorii nadprzewodnictwa.

Procesy oraz zjawiska fizyczne zachodzące w ekstremalnie wysokich i niskich temperaturach znacząco różnią się od tych obserwowanych w życiu codziennym. W szczególności fascynujące wydają się te zachodzące w pobliżu zera bezwzględnego, czyli 0 K (–273,15°C), gdzie dominujący wpływ na właściwości zimnej materii ma całkowicie nieintuicyjna i niedeterministyczna mechanika kwantowa – pisze Rafał IDCZAK

Aby poznać świat niskich temperatur, musimy najpierw zrozumieć, czym jest temperatura. Przecież doświadczamy jej codziennie, głównie poprzez zmysł dotyku. Często wykorzystujemy do jej określenia proste przyrządy (termometry). Okazuje się jednak, że zaglądając do podręcznika fizyki lub encyklopedii, natrafimy na skomplikowane wzory i definicje, operujące pojęciami z zakresu termodynamiki i fizyki statystycznej. Tej drogi nie wybierzemy. Spróbujemy jednak odpowiedzieć sobie na pewne pytanie, co znacznie przybliży nas do zrozumienia, czym jest temperatura.

Dlaczego Ziemia ma atmosferę? Gazy tworzące atmosferę składają się z atomów i molekuł. Każda z tych cząstek posiada masę i zgodnie z prawem powszechnego ciążenia powinny one zostać przyciągnięte do powierzchni naszej planety. Tak się jednak nie dzieje. Powodem jest właśnie temperatura. Jeżeli wyobrazimy sobie gaz jako stan materii, w którym atomy (molekuły) swobodnie się poruszają, jednocześnie odbijając się od siebie w sposób prawie sprężysty, to temperaturę tego gazu możemy bezpośrednio powiązać ze średnią energią kinetyczną ruchu cząstek tworzących ten gaz. Im wyższą temperaturę ma gaz, z tym większą energią (prędkością) poruszają się jego cząstki, a to umożliwia im swobodne unoszenie się nad powierzchnią Ziemi. Podobnie można opisać temperaturę cieczy. W tym stanie materii występują wprawdzie silniejsze oddziaływania pomiędzy atomami, jednak cząsteczki wciąż poruszają się chaotycznie, odbijając się od siebie.

Temperaturę mają także ciała stałe, jednakże w tym przypadku kinetyczno-molekularna teoria gazów niczego nie wyjaśnia. Ciało stałe możemy wyobrazić sobie jako zbiór sztywnych kul (atomów lub molekuł), połączonych ze sobą sprężynami, które odzwierciedlają wiązania chemiczne i międzycząsteczkowe. Sprężyny nie pozwalają kulom na przemieszczanie się, ale umożliwiają im drżenie wokół ich położeń równowagi. To właśnie średnia energia tych drgań jest związana z temperaturą danego ciała. Jej podwyższenie można utożsamić ze wzrostem amplitudy drgań cząstek budujących ciało stałe. Te rozważania prowadzą do definicji zera bezwzględnego (0 K), czyli temperatury, przy której wszelki ruch oraz drgania atomów i molekuł zanikają.

Pod koniec XIX w. większość uczonych uważała, że badania zimnej materii nie przyniosą wielkich odkryć, a jedynie potwierdzą zaproponowane przez nich wcześniej klasyczne modele i teorie. Tak się jednak nie stało. Sukcesywny rozwój doświadczalnych metod badawczych, umożliwiających pomiary w coraz to niższych temperaturach, pozwolił na odkrycie wielu fascynujących zjawisk fizycznych oraz dziwnych stanów materii.

Doniosłość spektakularnych odkryć z zakresu niskich temperatur zaowocowała przyznaniem kilkunastu Nagród Nobla w XX i XXI wieku.

W 1908 r. holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes jako pierwszy skroplił hel. Temperatura wrzenia izotopu 4He pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi jedynie 4,2 K. Dodatkowo, obniżając ciśnienie par nad skroploną cieczą w zbiorniku, Onnes uzyskał hel o temperaturze ok. 1,5 K. Był to ogromny sukces. W tamtych czasach uczeni z całego świata prześcigali się w sposobach skraplania różnych gazów o coraz to niższych temperaturach wrzenia. Warto tutaj wspomnieć także o naszych sukcesach. W 1883 r. polscy naukowcy Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski jako pierwsi na świecie skroplili tlen i azot, obniżając ich temperaturę do 77 K. Kilkanaście lat później James Dewar skroplił wodór (20,3 K), jednakże dopiero skroplenie helu sprawiło, że zadziwiający świat niskich temperatur stanął przed badaczami otworem. 

Po uzyskaniu ciekłego helu Heike Kamerlingh Onnes nie spoczął na laurach. Wykorzystując swoją ekstremalnie zimną ciecz, zaczął prowadzić badania nad oporem elektrycznym czystej rtęci w niskich temperaturach. Na początku XX wieku dominowały dwie główne teorie dotyczące tego zagadnienia. Pierwsza z nich, której orędownikiem był m.in. lord Kelvin, mówiła, iż w pobliżu 0 K elektrony, będące nośnikami ładunku w metalach, powinny „zamarznąć”. Jeśli nie mogą się poruszać, to opór elektryczny staje się nieskończenie duży i prąd nie może płynąć. Przeciwnicy tej teorii, do których należał sam Onnes, uważali jednak, że opór czystych metali maleje wraz ze spadkiem temperatury. Tego typu rozumowanie było poparte wynikami doświadczeń przeprowadzonych w wyższych temperaturach. Odpowiedni eksperyment przeprowadził Onnes w 1911 r., a uzyskany wynik do dzisiaj jest uważany za jeden z najważniejszych w całej historii fizyki. Okazało się bowiem, że wraz z obniżaniem temperatury do wartości 4,2 K opór elektryczny systematycznie maleje. Jednakże dokładnie przy wartości 4,2 K opór skokowo spadł do wartości znikomo małej, bardzo bliskiej zera. W ten sposób Onnesowi udało się odkryć nowy stan materii, dziś zwany stanem nadprzewodzącym, za co dwa lata później naukowiec otrzymał Nagrodę Nobla.

Dalsze badania dotyczące nadprzewodnictwa wykazały, że ten nowy stan materii nie występuje w każdym materiale schłodzonym do dostatecznie niskiej temperatury. Dodatkowo charakteryzuje się on nie tylko brakiem oporu elektrycznego, ale także tak zwanym efektem Meissnera. Zjawisko to polega na wypchnięciu zewnętrznego pola magnetycznego w nadprzewodniku, gdy przechodzi on w stan nadprzewodzący. Efekt ten występuje wyłącznie w nadprzewodnikach i dzięki niemu, umieszczając magnes nad nadprzewodnikiem, możemy zaobserwować zjawisko magnetycznej lewitacji. Okazało się także, że podobnie jak wysoka temperatura, również zbyt silne pole magnetyczne przyłożone do nadprzewodnika może wywołać wyjście materiału ze stanu nadprzewodzącego. Badania dotyczące wpływu pola magnetycznego na nadprzewodniki doprowadziły w krótkim czasie do kolejnego przełomu. 

Po odkryciach zapoczątkowanych w 1935 r. wszystkie nadprzewodniki zaczęto klasyfikować w dwóch odmiennych grupach (nadprzewodniki I i II rodzaju). Te pierwsze wykazywały efekt Meissnera. Te drugie były inne. W nadprzewodnikach II rodzaju przy określonym polu magnetycznym, zwanym dolnym polem krytycznym, dochodzi do wnikania pola magnetycznego do nadprzewodnika i tworzenia stanu mieszanego. Dopiero powyżej górnego pola krytycznego dochodzi do zniszczenia stanu nadprzewodzącego. Stan mieszany jest bardzo dziwny. Pole magnetyczne nie wnika jednorodnie do całej objętości materiału, lecz skupiane jest w wirach magnetycznych, gdzie lokalnie stan nadprzewodzący jest niszczony. Jednakże dopóki choć mała część objętości nadprzewodnika nie jest pokryta wirami, prąd elektryczny dalej swobodnie i bez oporu może przez niego płynąć. 

Wszystkie opisane powyżej obserwacje pozwoliły naukowcom na precyzyjne poznanie właściwości nadprzewodników. Niestety, do 1957 r. wciąż brakowało teorii tłumaczącej, co tak naprawdę dzieje się w tych materiałach i dlaczego obserwujemy całkowity zanik oporu elektrycznego. Z pomocą przyszli trzej amerykańscy badacze, Bardeen, Cooper i Schrieffer, którzy zaproponowali mikroskopową teorię nadprzewodnictwa, zwaną potocznie BCS. Zgodnie z nią w nadprzewodniku, inaczej niż w zwykłym materiale, nośnikiem ładunku nie są pojedyncze elektrony, ale pary Coopera. Taka para składa się z dwóch elektronów oddziałujących ze sobą w sposób przyciągający. W tym miejscu czujny czytelnik natychmiast zaprotestuje. Przecież elektrony mają jednoimienne ładunki, więc zgodnie z prawami elektrostatyki muszą się odpychać. Jak więc można twierdzić, że się przyciągają? Otóż okazuje się, że można! Związanie dwóch elektronów odbywa się poprzez lokalne dystorsje (odkształcenia) sieci krystalicznej. Swobodny elektron może przyciągnąć elektrostatycznie najbliższe rdzenie atomowe o przeciwnym ładunku. One z kolei, wychylając się nieznacznie ze swoich położeń równowagowych, powodują, że drugi elektron, będący w pobliżu, „wyczuje” tę zmianę. W ten sposób – w dużym uproszczeniu – dochodzi do pośredniego oddziaływania ze sobą dwóch elektronów i tworzenia się par Coopera. Jest to możliwe jedynie w niskich temperaturach, kiedy drgania sieci krystalicznej są na tyle małe, aby nie zniszczyć delikatnych par dwóch elektronów. Okazuje się także, że kwantowo-mechaniczny opis takich par wskazuje, iż kolektywny ruch par Coopera nie podlega efektowi rozpraszania energii, któremu podlegają pojedyncze elektrony płynące przez przewodnik w stanie normalnym, o skończonym oporze elektrycznym. Wniosek jest jeden. Jeżeli pary Coopera nie tracą energii podczas ruchu, to opór elektryczny w nadprzewodniku musi być zerowy. 

Teoria BCS odniosła ogromny sukces. Jej autorzy w 1972 r. otrzymali Nagrodę Nobla, a cały świat nauki odetchnął z ulgą. Rozumiemy już nadprzewodnictwo! Niestety, euforia nie trwała długo. W 1986 r. Johannes G. Bednorz i Karl A. Müller odkryli związek (YBa2Cu3O7), który nadprzewodzi w temperaturze 90 K. Wyznaczona temperatura krytyczna dla tego związku jest przynajmniej o kilkadziesiąt K wyższa niż jakiekolwiek limity ograniczające teorię BCS. Prowadzi to do wniosku, że nie wszystkie nadprzewodniki możemy opisać za pomocą BCS. Co gorsza, obecnie większość znanych nadprzewodników należy właśnie do tej grupy. Fizycy praktycznie wrócili do punktu wyjścia i znów poszukują, tym razem bardziej ogólnej, mikroskopowej teorii nadprzewodnictwa.

Kolejnym fascynującym zjawiskiem kwantowym, które możemy obserwować jedynie w bardzo niskich temperaturach, jest tzw. nadciekłość.

Jest to stan materii, a dokładnie cieczy, charakteryzujący się całkowitym zanikiem lepkości. Nadciekła ciecz, puszczona w ruch w dowolnym obiegu zamkniętym, może w nim krążyć bez końca. Aktualnie znamy tylko dwie takie ciecze. Pierwszą jest ciekły hel, składający się wyłącznie z izotopu 4He i schłodzony do temperatury poniżej 2,17 K. Drugą jest także ciekły hel, ale składający się z 3He. Aby uzyskać stan nadciekły w tym drugim przypadku, musimy zejść do temperatur rzędu 1 mK. 

Nadciekłość, jak również nadprzewodnictwo są bezpośrednio lub pośrednio związane ze zjawiskiem kwantowym zwanym kondesacją Bosego-Einsteina. Efektem kondensacji jest kolektywne zachowanie wszystkich cząstek biorących w niej udział. W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że wszystkie atomy wchodzące w skład kondensatu zachowują się jak jedna cząstka. Jest to całkowicie odmienny stan materii od tych, które obserwujemy w życiu codziennym. Obecnie w kilku laboratoriach na świecie, w tym także w Polsce (Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu), prowadzone są intensywne prace mające na celu wytworzenie i dokładne zbadanie kondensatu Bosego-Einsteina. Warto wspomnieć, że temperatury osiągane w tych placówkach badawczych często nie są większe niż 1 μK.

Badania niskotemperaturowych właściwości materii to nie tylko poznawanie kwantowo-mechanicznej natury otaczającego nas świata, ale także uzyskanie konkretnej wiedzy, która może być wykorzystana przez naszą cywilizację. Dobrym przykładem są nadprzewodzące elektromagnesy, które potrafią wytworzyć pola magnetyczne o ogromnym natężeniu, nawet kilkaset tysięcy razy większym od ziemskiego pola magnetycznego. Urządzenia tego typu są już dziś szeroko stosowane w medycynie (rezonans magnetyczny), w nauce (Wielki Zderzacz Hadronów) oraz energetyce termojądrowej (tokamaki).

Innym ciekawym zastosowaniem nadprzewodników są koleje dużych prędkości, wykorzystujące zjawisko lewitacji magnetycznej. Dzięki polu magnetycznemu i efektowi Meissnera pociąg nie ma bezpośredniego kontaktu z powierzchnią toru. Pozwala to na bardzo ekonomiczną, komfortową i szybką podróż. Kolejną intrygującą perspektywą jest skonstruowanie komputera kwantowego w oparciu o zimne atomy lub nadprzewodniki. Maszyna ta byłaby w stanie dokonywać 1030–1040 obliczeń jednocześnie. Jest to wielkość obecnie nieosiągalna.

.Pełne zrozumienie i opisanie zadziwiającego świata niskich temperatur pozostaje jeszcze przed nami. Posługując się literacką przenośnią, można powiedzieć, że Alicja dopiero co wylądowała na dnie króliczej nory. Znajdująca się tam Kraina Czarów jest dziwna i niezrozumiała, choć jednocześnie bardzo piękna i intrygująca. Dziewczynka jest racjonalna, przez co początkowo wydaje się kompletnie zagubiona w tym dziwnym, obcym świecie. Na szczęście jest także bardzo odważna, nie boi się nieznanego. Aby lepiej poznać Krainę Czarów, Alicja wchodzi w nią coraz głębiej i głębiej. Powodzenia, Alicjo!

Rafał Idczak

Pierwszy raz na Wszystko Co Najważniejsze?

Aby nie ominąć istotnych tekstów, raz w tygodniu w niedzielę rano wysyłamy newsletter. Zapraszamy do zapisania się:

Magazyn idei "Wszystko Co Najważniejsze" oczekuje na Państwa w EMPIKach w całym kraju, w Księgarni Polskiej w Paryżu na Saint-Germain, naprawdę dobrych księgarniach w Polsce i ośrodkach polonijnych, a także w miejscach najważniejszych debat, dyskusji, kongresów i miejscach wykuwania idei.

Aktualne oraz wcześniejsze wydania dostępne są także wysyłkowo.

zamawiam