Εἶναι γνωστὸ στοὺς ἐπιστήμονες ἀπὸ τὶς ἀρχὲς τοῦ 20οῦ αἰῶνος τὸ παράξενο καὶ δυσεξήγητο φαινόμενο τῆς ὑπεραγωγιμότητος. Τὸ φαινόμενο αὐτό, ἐκτὸς ἀπὸ τὶς σημαντικὲς τεχνολογικές του ἐφαρμογές ( κατασκευή ὑπεραγωγίμων ἠλεκτρομαγνητῶν καθὼς καὶ μεγάλης ἀκριβείας μαγνητομέτρων SQUID ), παρουσιάζει ἐξαιρετικὸ θεωρητικὸ ἐνδιαφέρον, ἐπειδὴ ἡ ἐξήγησή του μπορεῖ νὰ δοθῇ μόνον μέσα στὰ πλαίσια τῆς κβαντικῆς φυσικῆς πολλῶν σωμάτων.
Του Νικόλαου Ρηγάκη
Ἡ ἀνακάλυψη. Μηδενικὴ ἀντίσταση καὶ ἠλεκτρικὸ ῥεῦμα ποὺ δὲν θερμαίνει
Τρία χρόνια μετὰ τὴν ὑγροποίηση τοῦ στοιχείου ἡλίου (He), τὸ ἔτος δηλαδὴ 1911, ὁ Kammerlingh Onnes ἀνεκάλυψε ὅτι σὲ πολὺ χαμηλὲς θερμοκρασίες, τὶς ὁποῖες ἐπετύγχανε μὲ ὑγρὸ ἥλιο, ἡ ἠλεκτρικὴ αντίσταση τοῦ ὑδραργύρου, ὄχι ἁπλῶς μειώνεται, ἀλλὰ μηδενίζεται τελείως. Ἡ ἀγωγιμότητά του δηλαδὴ γίνεται ἄπειρη. Κάτω ἀπὸ τὴ θερμοκρασία τῶν 4,2 Κ ὁ ὑδράργυρος ἐκδηλώνει « ὑπεραγωγιμότητα »
Στὰ χρόνια ποὺ ἀκολούθησαν ἡ ἐργαστηριακὴ ἐμπειρία ἔδειξε ὅτι δὲν ἦταν μόνον ὁ ὑδράργυρος. Ἦταν καὶ ἄλλα μέταλλα, τὰ ὁποῖα, ξαφνικὰ θὰ λέγαμε, σὲ μία συγκεκριμένη τιμὴ θερμοκρασίας, χαρακτηριστικὴ γιὰ καθένα ἀπὸ αὐτὰ - ΚΡΙΣΙΜΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ- ἔχαναν τὴν ἠλεκτρική τους ἀντίσταση. Ὁ μόλυβδος στοὺς 7,2 Κ , ὁ κασσίτερος στοὺς 3,7 Κ , τὸ χρώμιο στοὺς 3 Κ, τὸ ἀλουμίνιο στοὺς 1,4 Κ ὁ ψευδάργυρος στοὺς 0,9 Κ, έχαναν τὴν ἠλεκτρική τους ἀντίσταση.
Τὸ ἐντυπωσιακὸ ἦταν ὅτι, μὲ τὴν ἐκδήλωση τῆς ὑπεραγωγιμότητος, τὸ ἠλεκτρικὸ ῥεῦμα ποὺ σὲ κάθε περίπτωση ἐμφανιζόταν, δὲν θύμιζε τὸ σύνηθες ἠλεκτρικὸ ῥεῦμα, κατὰ τὸ ὅτι δὲν συνέβαινε μετατροπὴ ἠλεκτρικῆς ἐνεργείας σὲ θερμικὴ, ὅπως συμβαίνει στὰ γνωστά μας ἠλεκτρικὰ ῥεύματα. Ἠλεκτρικὰ ῥεύματα ποὺ δημιουργήθηκαν σὲ κλειστὰ ὑπεραγώγιμα κυκλώματα διατηρήθηκαν ἐπὶ χρόνια χωρὶς ἀπόσβεση, μολονότι στὸ κύκλωμα δὲν ὑπῆρχε καμία ἠλεκτρικὴ πηγή .
Ἐκδιώκουν ἀπὸ τὸ ἐσωτερικό τους τὰ μαγνητικὰ πεδία
Τὸ δεύτερο ἐντυπωσιακὸ φαινόμενο ποὺ συνοδεύει τὴν ἐκδήλωση ὑπεραγωγιμότητος ἀνεκαλύφθη ἀπὸ τὸν Γερμανὸ Walter Meissner 30 χρόνια ἀργότερα. Ἕνα ὑπεραγώγιμο ὑλικὸ σὲ θερμοκρασία κάτω ἀπὸ τὴν κρίσιμη, ἐὰν τοποθετηθῇ ἐντὸς μαγνητικοῦ πεδίου, ἀπωθεῖ ὅλες τὶς δυναμικὲς γραμμὲς τοῦ πεδίου, ἐκδηλώνοντας τέλειο διαμαγνητισμό. Το φαινόμενο αὐτὸ εἶναι γνωστὸ σήμερα ὡς φαινόμενο Meissner. Ὅταν δηλαδὴ ὁ ὑπεραγωγὸς βρεθῇ σὲ μαγνητικὸ πεδίο, ἡ μαγνήτισὴ του εἶναι αντίθετη πρὸς τὸ μαγνητικὸ πεδίο μὲ ἀποτέλεσμα τὴν ἐμφάνιση ἀπωστικῶν δυνάμεων ἀνάμεσα στὸν ὑπεραγωγὸ καὶ στὸν μαγνήτη.
Δύο εἴδη ὑπεραγωγῶν
Ὑπεραγωγοὶ τύπου Ι - Εἶναι ἐκεῖνοι ποὺ ἀπωθοῦν τελείως ἀπὸ τὸ ἐσωτερικό τους τὰ ἐφαρμοζόμενα μαγνητικὰ πεδία. Τὰ συνηθέστερα ὑπεραγώγιμα ὑλικά, Pb, Hg, Sn, Cr, Zn, εἶναι τύπου Ι.
Οἱ ὑπεραγωγοὶ τύπου Ι εἶναι μέταλλα, τὰ ὁποῖα στὶς συνήθεις θερμοκρασίες ἐκδηλώνουν τὴ συνήθη μεταλλικὴ ἀγωγιμότητα.
Ὑπεραγωγοὶ τύπου ΙΙ - Εἶναι ἐκεῖνοι, οἱ ὁποῖοι ἀποβάλλουν μὲν τελείως ἀπὸ τὸ ἐσωτερικό τους τὰ μικρῆς ἐντάσεως μαγνητικὰ πεδία, ἀλλὰ μόνον ἐν μέρει τὰ πεδία μεγάλης ἐντάσεως. Ὁ διαμαγνητισμός τους δὲν εἶναι τέλειος ἀλλὰ μερικὸς στὰ ἰσχυρὰ μαγνητικὰ πεδία. Τὸ στοιχεῖο Νιόβιο (Nb) εἶναι ἕνα παράδειγμα ἑνὸς στοιχειώδους ὑπεραγωγοῦ τύπου ΙΙ.
Οἱ ὑπεραγωγοὶ τύπου ΙΙ εἶναι ἑνώσεις καὶ κράματα μετάλλων. Διαφέρουν ἀπὸ τοὺς τύπου Ι , διότι ἡ μετάβασή τους ἀπὸ τὴν φυσική τους κατάσταση στὴν κατάσταση ὑπεραγωγοῦ γίνεται βαθμιαῖα. Μὲ αὐτοὺς ἐπιτυγχάνονται ὑψηλότερες ΚΡΙΣΙΜΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ, πολλὲς φορὲς ἄνω τῶν 77 Κ (θερμοκρασία ὑγροποιήσεως τοῦ ἀζώτου).
Ἐξήγηση τοῦ φαινομένου τῆς ὑπεραγωγιμότητος
Ἡ ἐξήγηση τοῦ φαινομένου τῆς ὑπεραγωγιμότητος (θεωρία BCS) καθυστέρησε ἀρκετά, παρὰ τὴν ἀνάπτυξη τῆς κβαντικῆς θεωρίας, ἐπειδὴ πρόκειται γιὰ κβαντικὸ φαινόμενο πολλῶν σωμάτων (ἠλεκτρονίων καὶ ἰόντων τοῦ κρυσταλλικοῦ πλέγματος) καὶ ὄχι γιὰ φαινόμενο ποὺ μπορεῖ νὰ μελετηθῇ στὸ ἐπίπεδο μεμονωμένων ἀτόμων καὶ ἠλεκτρονίων.
Ἡ βασικὴ ἰδέα εἶναι ἡ ἑξῆς : Ὡς γνωστὸν, δύο ἠλεκτρόνια ἀπωθοῦνται μεταξύ τους, λόγῳ τοῦ ὅτι ἔχουν ὁμόσημα ἠλεκτρικὰ φορτία (δύναμη Coulomb). Μέσα σὲ ἕνα κρυσταλλικὸ πλέγμα ὅμως τὰ ἠλεκτρόνια ἀλληλεπιδροῦν ἑλκτικὰ μὲ τὰ ἰόντα τοῦ κρυσταλλικοῦ πλέγματος. Αὐτὴ ἡ ἕλξη μεταξὺ ἠλεκτρονίων καὶ κρυσταλλικοῦ πλέγματος δημιουργεῖ μία ἔμμεση ἕλξη μεταξὺ τῶν ἰδίων τῶν ἠλεκτρονίων, ἡ ὁποία ὑπερνικᾷ σὲ ὁρισμένα ὑλικὰ τὴν ἀπωστικὴ δύναμη Coulomb. Ὁ συνδυασμὸς τῶν δύο δυνάμεων δημιουργεῖ σὲ κάποια ὑλικὰ μία συνολικὴ μικρὴ ἕλξη μεταξὺ ἠλεκτρονίων. Τὰ ἠλεκτρόνια τείνουν νὰ σχηματίζουν δέσμιες καταστάσεις ποὺ ὀνομάζονται ζεύγη Cooper. Τὰ ζεύγη Cooper ἔχουν μία κβαντικὴ ἰδιότητα ποὺ δὲν τὴν ἔχουν τὰ μεμονωμένα ἠλεκτρόνια. Ἔχουν σπὶν ἀκέραιο καὶ ὄχι ἡμιακέραιο. Τὰ σωματίδια μὲ ἀκέραιο σπὶν ὀνομάζονται μποζόνια. Εἶναι γνωστὸ στὴν θεωρητικὴ στατιστικὴ φυσικὴ, ὅτι ἕνα σύστημα πολλῶν μποζονίων σὲ ἀρκετὰ χαμηλὴ θερμοκρασία ὑφίσταται μία μετάβαση φάσεως ποὺ λέγεται συμπύκνωση Bose-Einstein. Στὴν κατάσταση αὐτὴ τὸ πλῆθος τῶν μποζονίων εἰσέρχεται σὲ μία μακροσκοπικὴ κβαντικὴ κατάσταση, ὅπου διάφορα παράξενα κβαντικὰ φαινόμενα συμβαίνουν.
Γιατί ὅμως μηδενίζεται τελείως ἡ ἠλεκτρικὴ ἀντίσταση ;
Ἡ ἠλεκτρικὴ ἀντίσταση σύμφωνα μὲ τὴν κβαντικὴ περιγραφὴ προκύπτει ὅταν ἠλεκτρόνια, ποὺ κινοῦνται πρὸς κάποια κατεύθυνση λόγῳ ἑνὸς ἠλεκτρικοῦ πεδίου, ἐκτρέπωνται ἀπὸ τὴν πορεία τους λόγῳ ἀλληλεπιδράσεως μὲ ἀτέλειες τοῦ κρυσταλλικοῦ πλέγματος πρὸς ἄλλη κβαντικὴ κατάσταση, ἀποδίδοντας μέρος τῆς ἐνεργείας τους στὸ πλέγμα μὲ ἀποτέλεσμα τὴν θέρμανσή του. Ἐδῶ ἀκριβῶς βρίσκεται ἡ ἐξήγηση. Ἡ συμπύκνωση Bose-Einstein τῶν ζευγῶν Cooper δημιουργεῖ ἕνα ἐνεργειακὸ χάσμα στὴν πυκνότητα κβαντικῶν καταστάσεων. Τὰ ἠλεκτρόνια τῶν ζευγῶν Cooper, γιὰ νὰ ἐκτραποῦν ἀπὸ τὴν πορεία τους, πρέπει νὰ ἀπορροφήσουν ἕνα σημαντικὸ ἐνεργειακὸ ποσὸ, γιὰ νὰ μεταβοῦν σὲ μία νέα διαθέσιμη κβαντικὴ κατάσταση. Αὐτὸ ὅμως ἔχει ἐξαιρετικὰ μικρὴ πιθανότητα νὰ συμβῇ. Δὲν ὑπἀρχουν κοντινὲς σὲ ἐνέργεια διαθέσιμες κβαντικὲς καταστάσεις γιὰ νὰ δεχθοῦν τὰ ἠλεκτρόνια. Ὡς ἀποτέλεσμα τούτου τὰ ἠλεκτρόνια δὲν ἐκτρέπονται, ἐπειδὴ πρακτικὰ δὲν ἔχουν ποῦ νὰ πᾶνε !!! Ὁπότε συνεχίζουν τὴν κίνησή τους γιὰ πολὺ μεγάλο χρονικὸ διάστημα (ἐτῶν καὶ ἄνω). Ὁ μόνος τρόπος νὰ σταματήσουν εἶναι νὰ καταστραφοῦν τὰ ζεύγη Cooper. Αὐτὸ συμβαίνει μὲ αὔξηση τῆς θερμοκρασίας πάνω ἀπὸ μία κρίσιμη θερμοκρασία Tc ἤ μὲ ἐπίδραση μαγνητικοῦ πεδίου πάνω ὰπὸ μία κρίσιμη τιμὴ Bc .
Ἡ θεωρία BCS παρέχει ἱκανοποιητικὴ ἑρμηνεία στὴν ὑπεραγωγιμότητα τύπου Ι .
Οἱ πολὺ ὑψηλὲς ὅμως κρίσιμες θερμοκρασίες τῶν ὑπεραγωγῶν τύπου ΙΙ ὀφείλονται σὲ μηχανισμοὺς ποὺ ἐπὶ τοῦ παρόντος μᾶς εἶναι ἄγνωστοι.
Ὁ παρακάτω περιοδικὸς πίναξ μᾶς δείχνει τὰ χημικὰ στοιχεῖα ποὺ ἐμφανίζουν ὑπεραγωγιμότητα.
