Mihály György

V. Szupravezetés

Az MR tomográfiához tipikusan olyan, nagyon nagy térerősségű mágnesek szükségesek (több tízezer Gauss), amelyek mágneses tere precízen beállítható és évekig változatlan marad, 1:1 000 000 pontossággal. Ezt a szinte lehetetlennek tűnő követelményt automatikusan teljesítik a szupravezető mágnesek: ha egy szupravezető tekercsben áramot hozunk létre, akkor ez az áram, valamint az általa keltett mágneses tér az idők végezetéig (értsd több százezer évig) mérhető csökkenés nélkül fog keringeni. Az ilyen, ún. perzisztens módban lévő szupravezető mágnesek legnagyobb alkalmazója a gyógyszeripar, ahol az MR spektroszkópiát újonnan szintetizált molekulák azonosítására használják.

A szupravezetés tipikus kvantum-jelenség. Alacsony hőmérsékleten a szupravezető állapotú fémben a kristályrács közvetítésével az elektronok egy része párokba rendeződik, és spin nélküli objektumokat, ún. Bose-részecskéket alkot. Ezek a párok azonos, alacsony energiájú kvantumállapotba kerülhetnek, mert rájuk nem vonatkozik a Pauli-elv. A párokba rendeződött elektronok már ellenállás nélkül haladhatnak végig a kristályban. A szupravezetők fizikájáról részletesebben olvashatunk "Az alacsony hőmérsékletek titkai" című előadásban.

A szupravezetés egyik alapjelensége a zérus elektromos ellenállás, ahonnan az elnevezés is ered. Ugyanilyen különleges a szupravezető anyagok mágneses viselkedése is: az a tulajdonságuk, hogy a mágneses teret kiszorítják magukból. Az ebből eredő meglepő kvantumjelenségeket szemlélteti a következő videofelvétel (wmv, 3MB).

A szupravezető felett lebegő mágnes jelensége megérthető pusztán abból, hogy a szupravezető kiszorítja magából a mágneses teret. Emiatt a mágneses erővonalak torzulnak, és ez ekvivalens egy ellentétes polaritású mágnes lebegtető hatásával (20. ábra).

20. ábra

21. ábra

22. ábra

A szupravezetők kutatásában áttörést jelentett a "magas hőmérsékleti" szupravezetők felfedezése. A magas hőmérséklet itt a cseppfolyós levegő hőmérsékleténél (-196 ^oC) melegebb környezetet jelent, ami még mindig meglehetősen hideg, de már könnyebben megvalósítható, mint a hagyományos szupravezetők cseppfolyós hélium-hűtése. Ugyanakkor a magas hőmérsékleti szupravezetőkben a szupravezetés mechanizmusa lényegesen eltér a hagyományos szupravezetőkétől, s ez számos alkalmazásukat limitálja, bár több vonalon bíztató kísérletek folynak (21. ábra). Az elektronikai célú alkalmazások közül ki kell azonban emelni a szupravezető kvantum-interferométer nevű eszközt (SQUID), ami a jelenleg létező legpontosabb árammérő műszer, s már magas hőmérsékleti szupravezetőkkel is megvalósították.

Továbbra is hagyományos szupravezetőket alkalmaznak a nagy terű szupravezető mágnesekben, a részecskefizikai vagy szerkezetvizsgálati célú ciklotronokban és szinkrotronokban épp úgy, mint a vonatok mágneses lebegtetésére vonatkozó Japán fejlesztésekben (22. ábra).