Alexej Abrikosov. FOTO – REUTERS
V roku 2001 dostala Nobelovu cenu za fyziku trojica vedcov, ktorí sa zaslúžili o poznanie takzvaných Boseových-Einsteinových kondenzátov. Ide o zvláštne stavy hmoty, ktoré sa objavujú pri teplotách tesne nad absolútnou nulou (v Kelvinovej termodynamickej škále 0 stupňov, v Celziovej približne -273,15 stupňa). Atómy v Boseových-Einsteinových kondenzátoch akoby „spievali jednohlasne“, čo predstavuje látkový náprotivok laserových lúčov, v ktorých sa takto zladene správajú častice svetla, fotóny.
Tohtoročná Nobelova cena za fyziku odmeňuje opäť troch vedcov a opäť za kľúčové príspevky k poznaniu javov, ktoré sa (v súvislosti s praktickým využitím možno povedať: žiaľ) zatiaľ prejavujú takmer výlučne iba v oblasti supernízkych teplôt – supravodivosti a supratekutosti. Tento fakt zvýrazňuje dôležitosť poznania, ako sa správa hmota pri supernízkych teplotách.
Newtonova fyzika nám umožňuje pochopiť takmer všetky javy vo svete našej každodennej skúsenosti, v makrosvete. Vo väčšej mierke vesmírneho megasveta nám v tom pomáha Einsteinova teória relativity špeciálna i všeobecná. Prejavy, ktoré opisuje druhý, nemenej dôležitý (a podľa názoru mnohých ešte dôležitejší) oporný pilier modernej fyziky, kvantová fyzika, zväčša zostávajú nášmu oku skryté, lebo prebiehajú v mikrosvete atómov. Vidíme iba ich súhrnné výsledky. Aj tu predsa len existujú situácie, v ktorých je priebeh kvantových javov očividný. Hlavnými príkladmi sú práve supravodivosť a supratekutosť.
Supravodivosť
Od 19. storočia je známe, že kovy a niektoré zliatiny vedú elektrický prúd vďaka tomu, že umožňujú pohyb elektrónov medzi svojimi atómami. Atómy však pri tom vibrujú, pohyb elektrónov je neorganizovaný, produkuje sa teplo a výsledkom sú straty energie. Hovorí sa, že vodiče kladú elektrický odpor. Priveľké prúdy môžu vodič aj roztopiť. V roku 1911 však holandský fyzik Heike Kamerlingh Onnes objavil, že ak umiestni ortuť do kvapalného hélia (iba zhruba štyri stupne nad absolútnou nulou), elektrický odpor ortute sa celkom stratí. Tento jav označil ako supravodivosť a práve vďaka nemu dostal v roku 1913 Nobelovu cenu za fyziku. Supravodivosť po takmer 50 rokoch vysvetlili americkí fyzici John Bardeen, Leon Cooper a Robert Schrieffer (NC za fyziku pre rok 1972) tak, že niektoré záporne nabité elektróny v supravodiči vytvárajú páry, označované ako Cooperove. Tie potom prechádzajú atómovou štruktúrou oveľa ľahšie ako jednotlivé elektróny. Supravodivosť takzvaných supravodičov typu I však môže vynulovať magnetické pole. Odolávajú mu, kým nie je prisilné, čo sa označuje ako Meissnerov jav. Supravodiče typu II, všeobecne zliatiny rôznych kovov či zlúčenín, skladajúcich sa z nekovov a medi, však Meissnerovmu javu nepodliehajú a zostávajú supravodičmi aj v silných magnetických poliach. O tom už Bardeenova, Cooperova a Schriefferova teória nehovorila.
Tu vstupuje do hry práca prvého z tohtoročných fyzikálnych nobelistov, Alexeja Abrikosova. Supravodiče typu II vysvetlil, keď zohľadnil hustotu supravodivého materiálu, existenciou vírov, cez ktoré prechádza magnetické pole bez toho, aby likvidovalo supravodivosť. Vychádzal pri tom z teórie druhého tohtoročného nobelistu, Vitalija Ginzburga, ktorú vytvoril spolu s Levom Landauom a v zásade predpovedala existenciu dvoch typov supravodičov.
Supratekutosť
V 30-tych rokoch objavil ruský fyzik Pjotr Kapica, že kvapalné hélium-4 (dva protóny a dva neutróny v jadre), superochladené na iba asi dva stupne nad absolútnou nulou, preteká aj malými pórmi bez akéhokoľvek trenia, a teda energetických strát. Jav okamžite vysvetlil Lev Landau a dostal za to v roku 1962 NC za fyziku (Kapica tú svoju až v roku 1978). Jav sa začal označovať ako supratekutosť.
Supratekuté hélium je ukážkou Boseovho-Einsteinovho kondenzátu. Supratekutosť sa však pri ešte nižšej teplote podarilo v 70-tych rokoch dosiahnuť aj v prípade hélia-3 (dva protóny a jeden neutrón v jadre). Jeho stavba však vylučovala, aby sa stalo Boseovým-Einsteinovým kondenzátom. Paralela so spomenutými Cooperovými pármi elektrónov však v ňom supratekutosť mohla vysvetliť. Práve to urobil tretí tohtoročný nobelista, Anthony Leggett. Pravda, v héliu-3 vytvárajú pri superochladení páry atómy.
Od teórie k praxi
Hoci tohtoročná NC za fyziku odmeňuje výsostne teoretické pokroky, ich praktické využitia, existujúce i potenciálne, sú mnohoraké. Supravodivosť je už dnes základom napríklad magnetického pohonu rýchlovlakov a supravodivé magnety sa využívajú v medicíne (v zobrazovacích diagnostických zariadeniach, vrátane magnetickej rezonancie), a tiež v priemyselných výrobných procesoch. Spektrum využitia supravodivých materiálov je však oveľa širšie a zasahuje aj do komunikácií a počítačových technológií.
Hlavným problémom je nákladná výroba a udržiavanie kvapalného hélia. Vedci sa preto usilujú vyvinúť takzvané vysokoteplotné supravodiče. Kľúčom bude prekročenie teploty mínus 196 stupňov Celzia, pri ktorej sa skvapalňuje lacnejší a manipulovateľnejší dusík. Praktické využitie supratekutosti je oproti tomu záležitosťou vzdialenejšej budúcnosti.
