Když kvantová fyzika ožívá: Úvod do světa supravodivosti

Kvantová mechanika je pro většinu z nás jen soubor abstraktních, neviditelných pravidel, která platí někde hluboko v nitru atomů. Je to svět pravděpodobností, který si neumíme představit a který se našeho běžného života zdánlivě netýká.

Ale existuje jedna výjimka. Jeden vzácný moment, kdy se tato „skrytá“ fyzika rozhodne ukázat v našem měřítku a předvede nám něco, co na první pohled vypadá jako porušení přírodních zákonů. Ten jev se jmenuje supravodivost.

Nejlépe je to vidět na experimentu, který působí jako trik z filmu Avatar, ale je to čistá realita. Představte si těžký magnet, který se vznáší ve vzduchu nad kusem keramiky. Není zavěšený na nitích, nefouká pod ním vzduch. Prostě tam visí.

(Magnet vznášející se nad keramickým supravodičem)

Meissnerův jev a levitace: Proč se magnet vznáší nad supravodičem?

Tomuto jevu se odborně říká Meissnerův jev. Je to přímý důkaz toho, že supravodivost je kvantový jev, který se rozhodl ukázat v naší velikosti.

Supravodič je totiž „introvert“ – nesnáší magnetické pole uvnitř sebe. Když k němu přiblížíte magnet, supravodič vytvoří na svém povrchu proudy, které magnetické pole dokonale vytlačí ven. Výsledkem je, že se magnet nad supravodičem vznáší.

Ale pozor, není to jako když k sobě dáte dva obyčejné magnety stejným pólem, které po sobě kloužou a uskakují do stran. Tady dochází k takzvanému kvantovému uzamčení. Magnetické siločáry jsou v materiálu „přišpendlené“ na konkrétních místech. Ten magnet tam drží jako přibitý v neviditelném svěráku. Můžete supravodič otočit vzhůru nohama a magnet nespadne. Bude levitovat zavěšený pod ním, držený jen podivnými zákony kvantového světa.

Problém elektrického odporu: Proč se kabely hřejí a ztrácíme energii

Tato levitace je nádherná, ale to pravé kouzlo, kvůli kterému vědci nespí, se děje uvnitř materiálu. Je to schopnost vést elektřinu naprosto bez ztrát.

Abychom to pochopili, musíme si nejdříve připomenout, jak funguje běžná elektřina. Jak jsme si vysvětlili v článku o tom, jak funguje elektřina v praxi, vodič (třeba měděný drát) není prázdná trubka.

Představte si elektrický proud jako dav lidí (elektrony), kteří se snaží proběhnout úzkou chodbou plnou nábytku a jiných lidí (atomy kovu). Elektrony do atomů narážejí, strkají se a zpomalují.

• Tyto srážky nazýváme elektrický odpor.
• Energie ztracená při srážkách se mění na teplo.

Přesně proto hřeje vaše nabíječka, proto se zahřívá vysavač a proto elektrárny musí vyrobit mnohem více energie, než kolik jí nakonec spotřebujeme – obrovská část se po cestě dráty ztratí v podobě zbytečného tepla. Je to daň, kterou platíme fyzice za přenos energie.

(Vizualizace elektrického odporu jako davu postav prodírajících se chodbou plnou překážek.)

Cooperovy páry a absolutní nula: Jak vzniká nulový odpor

V roce 1911 udělal holandský fyzik Heike Kamerlingh Onnes pokus, který změnil dějiny. Zchladil rtuť na teplotu blízkou absolutní nule a zjistil, že odpor nezmenšil, ale zmizel. Úplně.

Jak je to možné? Jak se elektrony, které se normálně odpuzují, najednou domluví a přestanou narážet do stěn?

Tady musíme opustit selský rozum a vstoupit do říše kvantové mechaniky. Při extrémně nízkých teplotách se vibrace atomů v materiálu uklidní. Elektrony toho využijí, přestanou se chovat jako jednotlivci a vytvoří dvojičky, kterým říkáme Cooperovy páry.

Zatímco v běžném drátu se elektrony chovají jako dav lidí, kteří se chaoticky prodírají chodbou, Cooperovy páry se spojí do jedné velké, dokonale synchronizované vlny.

Neznamená to, že by létaly rychlostí světla. Rychlost elektronů se nijak zásadně nemění. Změní se to, že se pohybují bez tření. Je to jako dokonalá klouzačka. Jakmile do nich jednou strčíte (pustíte proud), neexistuje nic, co by je zbrzdilo. Proto tam ten proud může kroužit do konce vesmíru, aniž by se ztratil jediný watt energie.

(Ilustrace: Makrofotografie zářících modrých elektronů tvořících Cooperovy páry, které se synchronizovaně pohybují jako vlnění energie v krystalové mřížce kovu.)

Supravodiče v praxi: Od magnetické rezonance (MRI) po vlaky Maglev

Možná máte pocit, že supravodivost je hudba vzdálené budoucnosti. Ale mýlíte se. Supravodiče už dnes zachraňují životy a pohánějí civilizaci, jen jsou schované v zařízeních, kde se vyplatí investovat do drahého chlazení. Zde jsou místa, kde by to bez nich nešlo:

A) Magnetická rezonance (MRI) – Nemocnice Tohle je místo, kde se se supravodiči setkal téměř každý. Ten velký bílý „tunel“, do kterého vás v nemocnici zasunou, je ve skutečnosti obří supravodivý elektromagnet. Aby lékaři viděli do vašeho těla, potřebují extrémně silné magnetické pole. Kdybychom ho chtěli vytvořit klasickým měděným drátem, museli bychom do něj pustit tolik proudu, že by se cívka roztavila a nemocnice by zbankrotovala na účtech za elektřinu.

B) Vlaky Maglev – Japonsko (SCMaglev) Většina lidí zná Maglev z Číny, ale ten často využívá konvenční elektromagnety. Japonský projekt SCMaglev (který drží rychlostní rekord 603 km/h) sází na supravodiče. Magnety na boku vlaku vytvářejí tak silné pole, že vlak nejen nadnášejí 10 cm nad tratí, ale také ho stabilizují. Vlak se nedotýká kolejí. Žádné tření, žádný hluk kol, jen svištění vzduchu.

C) Neviditelné dálnice pod městy Velká města mají problém. Potřebují stále více energie, ale pod ulicemi už není místo na další tlusté měděné kabely. Projekty jako v německém Essenu (AmpaCity) použily supravodivý kabel. Je tenký, chladí se tekutým dusíkem, ale dokáže přenést pětkrát až desetkrát více energie než stejně tlustý měděný kabel. Je to jako byste vyměnili okresku za dálnici, aniž byste museli bourat okolní domy.

D) Velká věda (CERN) Urychlovač LHC, kde se srážejí částice, by bez supravodičů neexistoval. Potřebují tisíce supravodivých magnetů k tomu, aby udrželi protony letící rychlostí světla (99,9999991 % c) v kruhu.

(Vlak Maglev)

Svatý grál fyziky: Hledání supravodivosti při pokojové teplotě

Pokud je to tak úžasné, proč nemáme supravodivé dráty doma ve zdech? Problém je teplota. Většina supravodičů funguje jen v extrémním mrazu (pod -200 °C). I ty modernější potřebují tekutý dusík (-196 °C). Udržovat takový mráz je drahé.

Vědci proto hledají Svatý grál: Supravodič při pokojové teplotě.

Materiál, který by vedl proud bez odporu při běžných 20 °C. Pokud by se to podařilo (a občas se objeví zprávy o průlomu, které se ale zatím nedaří ověřit nebo vyžadují extrémní tlaky), změnilo by to svět k nepoznání:

• Měli bychom globální elektrickou síť bez ztrát. Solární elektrárny na Sahaře by mohly napájet Evropu bez ztráty jediného wattu.
• Počítače by byly tisíckrát rychlejší a nezahřívaly by se.
• Splnil by se sen Nikoly Tesly o efektivním přenosu energie, o kterém jsme psali v článku Bezdrátová planeta.

Budoucnost bez odporu

Supravodivost nám ukazuje, že limity, které považujeme za nepřekročitelné (jako je elektrický odpor), lze obejít, pokud pochopíme pravidla hry na té nejhlubší, kvantové úrovni. Zatím je to magie schovaná v mrazivých nádobách s heliem v nemocnicích a laboratořích, ale jednoho dne to může být technologie, která bude v každém kabelu nad naší hlavou.

(Vizuální koncept globální energetické sítě, kde supravodivé kabely přenášejí čistou energii z pouštních solárních polí do vzdálených měst bez energetických ztrát.)