A szupravezetés 20 éve

Húsz éve fedezték fel az első magas hőmérsékletű szupravezető anyagot. A csúcsot azóta többször jelentősen megjavították, a rekordérték ma 138 kelvin (mínusz 135 Celsius-fok). A fizikusok számtalan kísérlet adataira építve elméletek sorát dolgozták ki a jelenség magyarázatára, de máig nincs átfogó, elfogadott modell. Húsz éve - nagyon optimistán - gyors és széles körű gyakorlati alkalmazásokra számítottak, az első nagyipari, de még kísérleti alkalmazások azonban csak mostanában születnek meg. A Science tudományos hetilap elemzése alapján mutatjuk be a két évtized fontosabb történéseit.

J. Georg Bednorz és Karl Alexander Müller 1986 szeptemberében jelentette be, hogy lantán-bárium-réz-oxid kerámia-anyaguk 35 kelvinen (-238 Celsius-fok) szupravezetőként viselkedik. Ez a hőmérséklet 12 fokkal haladta meg a korábbi csúcsértéket. A szenzációs hír lázba hozta a fizikus közösségeket, és a sajtó közvetítésével a nagyközönség is felfigyelt a felfedezésre. A következő évben Bednorz és Müller fizikai Nobel-díjat kapott. Laboratóriumok seregében láttak hozzá hasonló anyagok előállításához, kipróbálásához. Néhány hónappal később amerikaiak yttrium-bárium-réz-oxid kerámiával 93 kelvinre javították a csúcsot. A mai 138 kelvines csúcstartó anyag talliummal adagolt higany-bárium-kalcium-réz-oxid, és 1993-ban állították elő először. Azóta nem történt lényeges előrelépés, az okok között nyilvánvalóan az is szerepet játszik, hogy nem sikerült még megérteni a magas hőmérsékletű szupravezetés jelenségét.

Magyarázatok a szupravezetésre

A szupravezetést 1911-ben higanyon fedezte fel H. Kammerlingh-Ones (Nobel-díj, 1913): a hőmérséklet csökkentésével 4,2 kelvinnél hirtelen megszűnt a higany elektromos ellenállása, az áram veszteség nélkül folyt benne. A jelenség értelmezését J. Bardeen, L. N. Cooper és I. R. Schrieffer adta meg 1957-ben, a nevük kezdőbetűiről BCS-nek nevezett elméletért 1972-ben kaptak Nobel-díjat. A BCS-elmélet szerint nagyon alacsony hőmérsékleten az elektronok viszonylag erősen kötött párokba rendeződnek: ezek az ún. Cooper-párok lényegében ütközés nélkül képesek mozogni a kristályrácsban. A párokat a kristály anyagának kvantált rezgései, az ún. fononok "ragasztják össze".

A magas hőmérsékletű szupravezetőkben is párokba rendeződnek az elektronok, a viták ennek mikéntjéről folynak. A magas hőmérsékletű szupravezetés tárgyában eddig megjelent szakmai közlemények számát százezres nagyságrendűre becsülik. A kísérleti fizikusok ontják a részlet adatokat, de ezeket még nem sikerült egységes elméletbe illeszteni.

A figyelmes olvasónak már feltűnhetett, hogy a fent felsorolt, magas hőmérsékletű szupravezető anyagok mindegyikében van réz-oxid. A réz- és az oxigénionok síkokba rendeződnek az anyagban; a rézionok egy négyzet csúcspontjait foglalják el, az oxigénionok pedig az oldalak mentén helyezkednek el. Ezek között a síkok között helyezkednek el a lantán-, stroncium-, yttrium-, bizmut-, talliumatomok. Az elektronok egyik rézionról a másik rézionra ugranak át, az elektronok párokba rendeződése, mozgása a réz- és oxigénsíkokban zajlik.

A legelső elméleti magyarázat szerint nem a fononok, hanem valami más tölti be a "ragasztó" szerepét, pl. mágneses hullám. Mások szerint nincs is szükség ragasztóra, a szomszédos rézionok elektronjai közti kvantumkapcsolatokban rejlik a magyarázat. Lehetséges, hogy nincs egyetlen oka, egyetlen magyarázata a szupravezetésnek. A szendvicsben nyilvánvalóan nemcsak a réz-oxigén sík játszik szerepet, hiszen a kritikus hőmérséklet erősen függ az adalékanyagoktól - hasonló szerkezeti felépítésű anyagok összetételüktől függenek más-más hőmérsékleten válnak szupravezetővé. Nagy reményeket fűznek a számítógépes szimulációkhoz is.

Magas hőmérsékletű szupravezető anyagok alkalmazásai

A fizikusok az elméleti értelmezés hiányában is nagy előrelépésnek tartják a magas hőmérsékletű szupravezető anyagok felfedezését. Új anyagokat, új anyagállapotokat fedeztek fel, új koncepciók születtek. Az erősen korrelált elektronok tanulmányozását nem elszigetelt problémának, inkább a fizika egy új területe küszöbének tekintik.

A magas hőmérsékletű szupravezetés felfedezését követően arra számítottak, hogy rövid idő alatt megszületnek az alkalmazások, például mágnesesen lebegő vonatok, új érzékelők, szupergyors szupravezető számítógépek és a legfontosabb, az elektromos áram veszteség nélküli továbbítása. A bevezetés azonban a reméltnél sokkal lassabban alakult, részben az anyagok tulajdonságai miatt. A korábbi szupravezetők alakítható fémek voltak (pl. nióbium-titán ötvözet). Ezekből lehetett vezetéket készíteni, vagy fel tudták tekerni, így készültek a motorokba és generátorokba beépített mágnesek. Az új anyagok viszont nem fémek, hanem törékeny kerámiák. Az első sikeres kísérletekben milliméteres, néhány centiméteres darabokkal dolgoztak. Az alkalmazások azonban kilométeres vezetékeket igényeltek.

A magas hőmérsékletű anyagokban az elektronok csak egyes kitüntetett irányokba mozogtak szívesen az atomrácsban. Az anyag különálló szemcsékből állt, az elektronok pedig csak akkor ugrottak át az egyik szemcséről a szomszédjára, ha a szemcsék atomrácsa csak kismértékben, néhány fokkal tért el egymástól. Nagyobb eltérésnél drámai mértékben romlott a vezetőképesség.

Legkönnyebben a bizmut-stroncium-kalcium-réz-oxiddal (BSCCO) boldogultak. 1988-ban jöttek rá, hogy a BSSCO-anyagot ezüstcsőbe kell betenni, majd a csövet meg kell nyújtani, míg vékony drót nem lesz belőle. Eközben a BSCCO-szemcsék kellően egymáshoz illeszkednek. Ma már kilométeres méretekben gyártják ezt az első generációs szupravezető huzalt, és szép számmal vannak alkalmazásai, például távvezetékek, ipari motorok, könnyű hajómotorok formájában. Hátránya az ezüstbevonat nagy költsége, erős mágneses térben pedig csak jóval alacsonyabb hőmérsékleten őrzi meg szupravezető jellegét. Vasmagra tekercselve a mágnesség problémája megoldódik, így készült idén egy a hagyományos motor térfogatának 10%-át, súlyának 20%-át kitevő motor. Másutt 36,5 megawatt teljesítményű hajómotort építettek, ami sikeres tesztek után az amerikai haditengerészethez kerülhet.

Yttrium-bárium-réz-oxid (YBCO) kerámiából 1995-ben olyan huzalt készítettek, amely 1 millió ampert tud szállítani keresztmetszet-négyzetcentiméterenként. Ez az anyag olcsóbb, mint a BSCCO, könnyebben ellenáll a mágneses térnek is, ebből készülnek az ún. második generációs huzalok. A méretek növelése azonban új problémát hozott felszínre: az YBCO különböző alakú szemcséit jóval nehezebb volt megfelelően irányba rendezni, mint a BSCCO lapos darabjait. Több éves fejlesztő munka után született meg a megoldás: nikkeldrótra visznek fel ultravékony anyagot, majd erre növesztik rá az YBCO-szemcséket. Egy New York-i vállalat már rutinszerűen gyárt 7-800 méteres YBCO-kábeleket, és most épül egy új üzem, ahol már kilométernél is hosszabbakat fognak gyártani. A hosszú kábelekből szupravezető mágnesekhez készülnek tekercsek. 420 méteres szupravezető szál felhasználásával 1,5 tesla erősségű mágneses teret tudtak létrehozni.

Sikertörténet a szupravezető anyagokból készített vékony filmrétegek elektromos, mágneses és optikai érzékelőként való alkalmazása.

Az energetikában is számítanak a magas hőmérsékletű szupravezető anyagokra. Az USA elektromos hálózata elöregedett, közben pedig évente 2,6%-kal nő a fogyasztás. Az energiaügyi minisztérium becslése szerint kb. 3500 km földalatti kábelt lehetne szupravezetőre cserélni. Három demonstrációs kábel már épül. Széles körű elterjedésre mégsem lehet számítani, mert a hosszú távú biztonságra törekvő villamosenergia ipar kockázatosnak tartja a szupravezető technológiát. Az elterjedést gátolja a magas, a fogyasztókra át nem hárítható költség is.

A legnagyobb kihívás a költségek csökkentése: a magas hőmérsékletű szupravezető huzalok ma még 3-5-ször drágábbak, mint réz megfelelőjük. A második generációs huzalok gyártása felfutóban van, ettől a költségek kiegyenlítődését remélik az évized végére. A húsz éve megfogalmazott, beteljesületlen előrejelzések azonban óvatos becslésekre intenek.

Jéki László