A szupravezetés egy lenyűgöző fizikai jelenség, amelynek során bizonyos anyagokban (általában különleges fémekben), kellően alacsony hőmérsékletre hűtve az elektromos ellenállás nullára csökken. Ez azt jelenti, hogy az elektromos áram energiaveszteség nélkül képes áramlani bennük. A jelenség kulcsát az adja, hogy a rendkívüli hidegben az elektronok párba rendeződnek. Ezt a kvantumhatást a fizikában először az 1950-es években írta le három amerikai tudós – John Bardeen, Leon Cooper és John Robert Schrieffer –, amiért 1972-ben meg is kapták a fizikai Nobel-díjat. Az ő nevük kezdőbetűiből összeálló BCS-elmélet azonban úgy tűnik, komoly kiigazításra szorul, hívja fel a figyelmet a Phys.org.
Kvantumtánc a bálteremben
A párizsi Kastler Brossel Laboratórium és a New York-i Simons Alapítvány kutatói közös tanulmányukban egy speciális, az abszolút nullafokhoz (a lehető leghidegebb állapot, kb. -273 Celsius-fok) közeli hőmérsékletre hűtött lítiumgázzal kísérleteztek. Ebben az extrém állapotban az atomok képesek „helyettesíteni” a szupravezetőkben lévő elektronokat, így a tudósok biztonságos, kontrollált környezetben vizsgálhatták a párképződést.
A kísérlet során egy újonnan kifejlesztett képalkotó módszerrel készítettek pillanatfelvételeket a párokba rendeződött atomokról. A felvételek pedig valami egészen váratlant mutattak: a párok helyzetét befolyásolta a többi pár jelenléte. Lényegében szinkronizált táncot lejtettek, ügyelve arra, hogy megtartsák a távolságot a többiektől, ezt a fajta összehangolt mozgást a történelmi BCS-elmélet egyáltalán nem jósolta meg.
„A BCS-elmélet eddig azt mondta, hogy a szupravezetés azért jön létre, mert az elektronok hajlamosak párba rendeződni, de ez egy nyers teória, és nem mond semmit arról, hogyan lépnek kölcsönhatásba ezek a párok egymással” – magyarázta Shiwei Zhang, a kutatás elméleti hátterét vizsgáló csapat vezetője. Az eddigi elmélet ugyanis abból indult ki, hogy a párok függetlenek egymástól, és eloszlásuk a téren belül teljesen véletlenszerű.
Tarik Yefsah, a kísérleti kutatás vezetője egy érzékletes hasonlattal írta le a felfedezés jelentőségét: „A BCS-elmélet eddig csak egy olyan képet adott, mintha kintről figyelnénk a báltermet. Hallottuk a zenét, láttuk kijönni a táncosokat, de fogalmunk sem volt, mi történik odabent. A mi megközelítésünk olyan, mintha bevittünk volna egy nagylátószögű kamerát a terembe. Most már látjuk, hogyan alkotnak párokat, és azt is, hogyan figyelnek egymásra, hogy ne ütközzenek össze.”
Lépés a szent grál felé
Hogy megerősítsék a kísérleti eredményeket, a kutatók számítógépes szimulációkat is lefuttattak. A kvantummechanikai modellek hajszálpontosan egybevágtak a valós megfigyelésekkel, bebizonyítva, hogy a Nobel-díjas elméletből valami valóban „kvalitatívan hiányzik”. De miért fontos mindez a laikusok számára? Nos, azért, mert a szupravezetés megértése a modern fizika egyik Szent Gráljához vezethet: a szobahőmérsékleten is működő szupravezetőkhöz. Jelenleg ugyanis a legfejlettebb, úgynevezett magas hőmérsékletű szupravezetők is folyékony nitrogénes hűtést, azaz körülbelül -196 Celsius-fokot igényelnek a működéshez, és a tudósok még mindig nem értik pontosan, miért képesek ezek az anyagok is a szupravezetésre.
Ha sikerülne egy olyan anyagot létrehozni, ami a mindennapi, szobahőmérsékletű környezetünkben is energiaveszteség nélkül vezetné az áramot, az alapjaiban változtatná meg a világot. Elképesztő mértékben növelné az elektromos hálózatok hatékonyságát, forradalmasítaná az elektronikus eszközöket, és sosem látott sebességű szuperszámítógépek megalkotását tenné lehetővé. A mostani, a „táncoló” atompárokról szóló felfedezés – amely feltárta a korábbi elméletek hiányosságait – tehát hatalmas lépést jelent afelé, hogy ezt a bonyolult rendszert megértsük, és végül irányítani is tudjuk.
(Borítókép: Illusztráció / Getty Images)
Ismerd meg Kapu Tibor inspiráló történetét, akit a szabadság utáni vágy végül a csillagok közé emelt.
Kövesse az Indexet Facebookon is!
Írta az index.hu
