Το βραβείο Nobel Φυσικής 2003

2003-10-08

Η κβαντική Φυσική που ελέγχει τον μικρόκοσμο, έχει μια ευρεία περιοχή από θεαματικά φαινόμενα δεν συμβαίνουν στο συνήθη σε μας μακρόκοσμο. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις που τα κβαντικά φαινόμενα είναι ορατά. Με το φετινό βραβείο Nobel Φυσικής βραβεύτηκε η εργασία που αφορά τις εξής περιπτώσεις: υπεραγωγιμότητα και υπερρευστότητα. Ο Αλεξέι Αμπρικόσοφ και ο Βιτάλι Γκίνζμπουργκ έχουν αναπτύξει θεωρίες για την υπεραγωγιμότητα και ο Άντονυ Λέγγετ έχει εξηγήσει μια μορφή υπεραγωγιμότητας. Τα δύο αυτά φαινόμενα συμβαίνουν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.

Ροή χωρίς αντίσταση

Ένα απροσδόκητο φαινόμενο

Γνωρίζουμε από τα πειράματα που έγιναν στον ηλεκτρισμό από τον 19 αιώνα, ότι τα μέταλλα επιτρέπουν το πέρασμα του ηλεκτρικού ρεύματος γιατί επιτρέπουν την κίνηση των ηλεκτρονίων ανάμεσα στα άτομα. Η ανοργάνωτη αυτή κίνηση των ηλεκτρονίων προκαλεί ταλάντωση των ατόμων και τελικά ανεβαίνει η θερμοκρασία του μετάλλου. Επίσης είχε βρεθεί ότι το πέρασμα του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από έναν αγωγό, δημιουργεί μαγνητικό πεδίο, το οποίο στη συνέχεια δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα στην αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός αλληλεπιδρούν και είναι δυνατόν να αλληλοεξουδετερωθούν.

Το 1911 ο Ολλανδός φυσικός Heike Kamerling Onnes έκανε μια σημαντική ανακάλυψη. Ενδιαφέρονταν για τις ιδιότητες των υλικών σε χαμηλές θερμοκρασίες και πέτυχε να παράγει υγρό ήλιο το έχει πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Όταν ο Onnes μελετούσε την αγωγιμότητα του υδραργύρου παρατήρησε ότι όταν έψυχε το μέταλλο με υγρό ήλιο σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν, η αντίσταση του μηδενίζονταν. Ονόμασε το φαινόμενο αυτό , υπεραγωγιμότητα. Παρ όλο που ακόμη δεν υπήρχε θεωρητική εξήγηση του φαινομένου ήταν φανερό ότι θα είχε σοβαρές επιδράσεις σε μία κοινωνία που στηρίζονταν στον ηλεκτρισμό. Γι αυτό ο Onnes τιμήθηκε με το βραβείο Nobel φυσικής το 1913.

Υπεραγωγοί δύο τύπων

Σχεδόν πενήντα χρόνια αργότερα οι φυσικοί John Bardeen, Leon Cooper και Robert Schreiffer (βραβείο Nobel 1972) κατάφεραν να φτιάξουν μια θεωρία (αναφέρεται συνήθως σαν BCS από τα αρχικά τους) η οποία εξηγούσε το φαινόμενο. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, ορισμένα από τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζευγάρια που ονομάζονται ζεύγη Cooper. Τα ζευγάρια αυτά κινούνται κατά μήκος ελκτικών καναλιών που σχηματίζονται στη δομή του μετάλλου. Εξ αιτίας τη παραπάνω συμπεριφοράς των ζευγών η κίνηση των φορτίων είναι ομαλή χωρίς κρούσεις και τότε παρουσιάζεται το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας. Τα ζεύγη των ηλεκτρονίων μπορούμε να τα φαντασθούμε σαν ένα συμπύκνωμα όπως οι σταγόνες υγρού που σχηματίζονται μέσα σε ένα ψυχόμενο υγρό. Το «υγρό των ηλεκτρονίων» είναι υπεραγώγιμο. Αυτού του είδους οι υπεραγωγοί ονομάζονται υπεραγωγοί τύπου Ι . Είναι μέταλλα και χαρακτηρίζονται από το φαινόμενο Meisner δηλαδή στην υπεραγώγιμη κατάσταση εξουδετερώνουν τα εξωτερικά μαγνητικά πεδία εφ όσον η ένταση τους δεν ξεπερνά κάποιο όριο. Αν το εξωτερικό μαγνητικού πεδίο γίνει πολύ δυνατό, χάνεται η υπεραγωγιμότητα του μετάλλου.

Εικόνα 1.Οι υπεραγωγοί τύπου Ι απωθούν το μαγνητικό πεδίο (Meisner effect). Αν η ένταση του μαγνητικού πεδίου αυξηθεί, χάνεται η υπεραγωγιμότητα τους. Δεν συμβαινει το ίδιο με τους υπεραγωγούς τύπου ΙΙ που επιτρέπουν σε δυνατά μαγνητικά πεδία να περάσουν από το εσωτερικό τους.

Είναι όμως γνωστό ότι υπάρχουν υπεραγωγοί που δεν παρουσιάζουν ή παρουσιάζουν ελαττωμένο φαινόμενο Meisner. Συνήθως πρόκειται για κράματα μετάλλων με χαλκό ή για ενώσεις αμέταλλων με χαλκό. Διατηρούν τις υπεραγώγιμες ιδιότητες τους ακόμα και μέσα σε δυνατό μαγνητικό πεδίο. Οι υπεραγωγοί αυτοί ονομάζονται τύπου ΙΙ και οι ιδιότητες τους δεν μπορούν να περιγραφούν με την θεωρία BCS

Alexei Abrikosov. ¨όταν εργάζονταν στο ινστιτούτο Kapitsa στη Μόσχα, κατόρθωσε να διατυπώσει μία νέα θεωρία που περιγράφει το φαινόμενο. Το βασικό σημείο είναι η περιγραφή της υπεραγωγιμότητας χρησιμοποιώντας την πυκνότητα του συμπυκνώματος μέσα από μία παράμετρο τάξης (μια κυματοσυνάρτηση). Ο Abrikosov απέδειξε ότι η παράμετρος τάξης περιγράφει περιοχές που μοιάζουν με δίνες και ότι το μαγνητικό πεδίο διεισδύει στο υλικό κατά μήκος αυτών των δινών. Ο Abrikosov υπολόγισε πως ο αριθμός των δινών αυξάνει όταν δυναμώνει το μαγνητικό πεδίο, και πώς χάνεται η υπεραγώγιμη ιδιότητα αν οι δίνες επικαλυφθούν. (εικ. 2)

Εικ. 2. Η εικόνα πλέγματος δινών Abrikosov, σε έναν ημιαγωγό τύπου ΙΙ. Το μαγνητικό πεδίο περνά μέσα από τις δόνες αυτές.

Η θεωρία αυτή ήταν πρωτοποριακή και χρησιμοποιείται ακόμη στην μελέτη και σχεδιασμό υπεραγωγών και μαγνητών. Οι εργασίες του από την δεκαετία του πενήντα, αναφέρονται όλο και πιο συχνά την τελευταία δεκαετία.

Η θεωρία του Abrikosov στηρίχθηκε στη θεωρία που διατύπωσαν στις αρχές του 1950 οι Vitaly Ginzbourg και Lev Landau ( ο τελευταίος πήρε το Nobel φυσικής το 1962). Σκοπός της θεωρίας ήταν να περιγράψει την υπεραγωγιμότητα και τα κρίσιμα μαγνητικά πεδία στους γνωστούς τότε υπεραγωγούς. Οι Ginzbourg και Landau αντιλήφθηκαν ότι η παράμετρος τάξης (κυματοσυνάρτηση) ήταν απαραίτητη για να περιγράψει την αλληλεπίδραση ανάμεσα στον υπεραγωγό και το μαγνητικό πεδίο. Με την εισαγωγή της παραμέτρου ήταν εμφανές ότι υπήρχε μια ασυνέχεια όταν η τιμή της έφτανε στο 0,71. Για τον υδράργυρο και τους άλλους γνωστούς υπεραγωγούς η τιμή ήταν 0,16 και έτσι δεν θεώρησαν ότι πρέπει να επεκτείνουν τη θεωρία για τιμές πάνω από το 0,71. Ο Abrikosov προέκτεινε τη θεωρία αποδεικνύοντας ότι οι υπεραγωγοί Τύπου ΙΙ έχουν ακριβώς αυτές τις τιμές.

Η γνώσεις μας στην υπεραγωγιμότητα έχουν οδηγήσεις σε επαναστατικά καινούργιες εφαρμογές. Νέα υλικά με υπεραγώγιμες ιδιότητες ανακαλύπτονται συνεχώς. Στις τελευταίες δεκαετίες έχει ανακαλυφθεί ένας μεγάλος αριθμός από υπεραγωγούς σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο πρώτος έχει κατασκευαστεί από τους Georg Bertnoz και Alex Muller οι οποίοι βραβεύτηκαν το 1987. Όλοι οι ημιαγωγοί υψηλής θερμοκρασίας είναι τύπου ΙΙ. Η ψύξη είναι ο σημαντικότερος παράγοντας για την χρησιμοποίηση των υπεραγωγών. Ένα σημαντικό όριο είναι η θερμοκρασία βρασμού του υγρού αζώτου 77 ^oΚ (-196 ^oC) γιατί το υγρό άζωτο κοστίζει λιγότερο και χρειάζεται οικονομικότερες εγκαταστάσεις σε σχέση με το υγρό ήλιο που χρησιμοποιείται για τους άλλους υπεραγωγούς.

Εικ. 3. Μαγνητική τομογραφία ανθρωπίνου εγκεφάλου. Η διακριτότητα της κάμερας εξαρτάται από την ένταση του μαγνητικού πεδίου. Σήμερα χρησιμοποιούνται υπερ- αγώγιμοι ηλεκτρομαγνήτες από υπεραγωγούς τύπου ΙΙ.

Δύο υπέροχα υπερρευστά

Το πιο ελαφρύ από τα σπάνια αέρια το ήλιο, υπάρχει σε δύο ισότοπα. Η συνηθισμένη μορφή ⁴Ηe έχει δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Η σπάνια μορφή ³He έχει μόνον ένα πρωτόνιο. Στο ήλιο που υπάρχει στη φύση το ³He αποτελεί ένα μέρος στα δέκα εκατομμύρια. Τα τελευταία 50 χρόνια παράγεται αρκετό ³He για πειράματα, από τα πυρηνικά εργοστάσια. ΣΕ αέρια μορφή τα δύο ισότοπα διαφέρουν μόνο στα ατομικά βάρη.

Αν το αέριο ήλιο ψυχθεί σε χαμηλή θερμοκρασία, περίπου 4 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, τότε υγροποιείται. Το υγρό ήλιο χρησιμοποιείται σαν ψυκτικό σε υπεργώγιμους μαγνήτες. Αν η θερμοκρασία δεν είναι πολύ χαμηλή, τότε τα δύο ισότοπα έχουν τις ίδιες ιδιότητες.

Αν το υγρό ήλιο ψυχθεί σε ακόμη χαμηλότερη θερμοκρασία ,τότε συμβαίνουν δραματικές μεταβολές στη συμπεριφορά των δύο ισοτόπων. Εμφανίζονται κβαντικά φαινόμενα με αποτέλεσμα να εξαφανίζεται η αντίσταση στην κίνηση των μορίων. Τότε το υγρό ήλιο έχει μετατραπεί σε υπερρευστό. Η μεταβολή αυτή συμβαίνει σε διαφορετική θερμοκρασία για τα δύο ισότοπα Τα φαινόμενα που παρουσιάζονται είναι θεαματικά , όπως το υγρό που διαφεύγει από τους πόρους του δοχείου. Τα φαινόμενα αυτά εξηγούνται μόνο με την κβαντική φυσική.

Ιστορικές ανακαλύψεις.

Το γεγονός ότι το ήλιο μετατρέπεται σε υπερρευστό ανακαλύφθηκε, μεταξύ των άλλων, από τον Piotr Kapitsa στο τέλος της δεκαετίας του 30. Το φαινόμενο ερμηνεύθηκε σχεδόν αμέσως από τον Lev Landau ο οποίος πήρε και βραβείο Nobel 1962 για την ανακάλυψη αυτή. (Ο Kapitsa βραβεύτηκε το 1978. Η μετατροπή του ⁴He από κανονικό ρευστό σε υπερρευστό που συμβαίνει σε θερμοκρασία 2 βαθμών πάνω από το απόλυτο μηδέν, είναι το πρώτο παράδειγμα της συμπύκνωσης Bose-Einstein. Πρόσφατα έχει παρατηρηθεί και σε διάφορα αέρια.

Η μετατροπή του ³He σε υπερρευστό επιτεύχθηκε μόλις το 1970 από τους D. Lee, D. Osheroff και R.Richardson (Nobel 1996). Μία από τις αιτίες που καθυστέρησε η ανακάλυψη αυτή είναι η θερμοκρασία υγροποίησης του ³He είναι πολύ χαμηλή, μερικά χιλιοστά του βαθμού. Παρ΄ ότι το ³He διαφέρει κβαντικά από το ⁴He και δεν μπορεί να κάνει συμπύκνωση Bose-Einstein το φαινόμενο ήταν αναμενόμενο. Ανάλογα με την θεωρία της υπεραγωγιμότητας των Bardeen Cooper και Schrieffer σχηματίζονται ζεύγη Cooper από δυο πυρήνες ηλίου.

Εικ 4. Ο σχηματισμός ζεύγους που συμβαίνει στο υπερρευστό ³He διαφέρει από εκείνο που συμβαίνει στους υπεραγωγούς. Οι μαγνητηκές ροπές των ατόμων προσανατολίζονται παράλληλα ενώ των ηλεκτρονίων αντιπαράλληλα.

Το πολύτροπο υπερερευστό

Ο θεωρητικός που πρώτος κατόρθωσε να ερμηνεύση τιος ιδιότητες του νέου υπερρευστού ήταν ο Anthony Legget, ο οποίος το 1970 εργάζονταν στο πανεπιστήμιο του Σάσσεξ στην Αγγλία. Η θεωρία του βοήθησε τους πειραματικούς να κατανοήσουν τα αποτελέσματα και διαμόρφωσε ένα πλαίσιο για συστματική ερμηνεία. Η θεωρία του Legget ποπυ αναπτύχθηκε για την υπερευστότυητα του He αποδείχθηκε χρήσιμη και σε άλλα πεδία της όπως η Σωματιδιακή Φυσική και η Κοσμολογία.

Σαν υπερρευστό το ³He αποτελείται από ζευγάρια ατόμων και οι ιδιότητες του είναι πιο πολύπλοκες από εκείνες του ⁴He. Τα ζευγάρια των ατόμων του υπερρευστού έχουν μαγνητικές ιδιότητες με αποτέλεσμα το υγρό να είναι ανισότροπο. Αυτό το φαινόμενο ερευνήθηκε εκτενώς μετά την ανακάλυψη του. Με μαγνητικές μετρήσεις ανακαλύφθηκε ότι το υπερρευστό έχει πολύπλοκη δομή και αποτελείται από ένα μείγμα τριών φάσεων. Οι τρεις φάσεις έχουν διαφορετικές ιδιότητες και η αναλογία τους εξαρτάται από τη θερμοκρασία, την πίεση και τα εξωτερικά μαγνητικά πεδία.

Εικ. 5. Το υπερρευστό ³He υπάρεχει σε τρείς φάσεις που ονομάζονται Α, Α₁ , και Β. Η φάση εξαρτάται από την πίεση, την θερμοκρασία, και το μαγνητικό πεδίο σύμφωνα με το διάγραμμα φάσεων της εικόνας.

Το υπερρευστό ³He είναι ένα εργαλείο το οποίο οι ερευνητές χρησιμοποιούν εργαστηριακά για να μελετήσουν άλλα φαινόμενα.Ειδικότερα ο σχηματισμός στροβίλων στο υπερρευστό έχει χρησιμοποιηθεί πρόσφατα για την μελέτη της μετατροπής της τάξης σε χάος.

Εικ 6. Έχει αποδειχθεί ότι όταν δημιουργηθεί ένας στρόβιλος σε υπερρευστό ³He

(α) Η εξέλιξη του εξαρτάται από την θερμοκρασία. Πάνω από την κρίσιμη θερμορκρασία ο στροβιλος ευθυγραμίζεται με τον άξονα περιστροφής (b). Κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία δημιουργούνται άτακτοι στρόβιλοι (c).