Listopad 2003

Podivný svět nízkých teplot.

Martin Uhlíř

Nobelovu cenu za fyziku získali teoretici, jejichž práce umožnily chápat procesy v superchladných látkách

Ve světě bez počítačů pracovala trojice oceněných vědců. Přesto dokázali změnit pohled na supravodivost a supratekutost. Vitalij Lazarevič Ginzburg, jeden z trojice letošních laureátů Nobelovy ceny za fyziku, je velkou postavou ruské vědy. "Setkal jsem se s ním v Moskvě v 60. letech. Byl to člověk s uhrančivýma očima a s úžasnou energií. Jeden z posledních lidí, kteří ještě znali celou fyziku," vzpomíná dr. Vladimír Dvořák z Fyzikálního ústavu AV ČR. Na seminářích prý Ginzburg seděl vždy v první řadě. "Ať se mluvilo o jakémkoliv oboru, kladl neustále otázky a nepustil přednášejícího dál, dokud problematice úplně neporozuměl," vypráví dr. Dvořák. Tato všestrannost se Ginzburgovi vyplatila. Ač sám sebe v 60. letech nazýval astrofyzikem, Nobelovu cenu získal za průkopnickou práci v úplně jiné oblasti: pomohl objasnit vlastnosti supravodičů. V roce 1911 učinil nizozemský fyzik Heike Kammerlingh Onnes důležitý objev. Zjistil, že rtuť ochlazená kapalným heliem na teplotu pouhých několika stupňů nad absolutní nulou (-273,15 °C) úplně ztratí elektrický odpor. Tento prazvláštní jev, který nazval supravodivost, neuměl nijak vysvětlit. Už tehdy však pochopil jeho význam pro společnost, jež se stávala stále závislejší na elektřině.

Uběhlo několik desetiletí, než se objevilo vysvětlení supravodivosti: elektrony mohou v některých kovech vytvářet páry, jakási dvojčata s opačnou hybností a spinem. Ta se pak pohybují mezi atomy bez jakéhokoli odporu. Vzniká tak supravodivý proud. Tato teorie popisovala supravodiče z pohledu fyziků, kteří se zabývají mikrosvětem, kvantovými jevy. Supravodivost ovšem ukazuje, že kvantové efekty, pro lidské smysly zcela nepochopitelné, se mohou projevit jako srozumitelný makroskopický jev - supravodivý elektrický proud. Byl to právě letošní laureát Nobelovy ceny Vitalij Ginzburg, jenž spolu s dalším ruským fyzikem, Lvem Davidovičem Landauem, pohlédl na supravodiče trochu jinak. Začátkem 50. let přišli oba vědci s "makroskopickou" teorií supravodivosti, která velmi dobře popisovala přechod z normálního do supravodivého stavu a vysvětlovala základní vlastnosti supravodičů. Vitaliji Ginzburgovi je nyní 87 let, přesto stále působí v moskevském Lebeděvově fyzikálním ústavu. Finanční odměnu spojenou s Nobelovou cenou hodlá utratit či věnovat svým pravnoučatům.

Siláci a slaboši

Už v roce 1933 vědci objevili důležitou vlastnost supravodičů: nemůže do nich pronikat magnetické pole, není-li příliš silné. Supravodivé proudy nedovolí magnetickým siločarám, aby se dostaly dovnitř. Jakmile však pole zesílí nad určitou mez, roztrhne putující elektronová "dvojčata" od sebe a látka své supravodivé vlastnosti ztratí. Takzvané supravodiče 1. druhu dokážou vzdorovat jen slabému poli. Pro konstruktéry, kteří by chtěli supravodivost využít v praxi, je to katastrofa. Od supravodičů totiž žádají právě to, aby v nich tekly velké elektrické proudy, které vytvářejí silná magnetická pole. "Slaboši" 1. druhu ovšem sami zničí své výjimečné schopnosti mnohem dříve, než stihnou konstruktérům vyhovět.

Naštěstí existují i "siláci", supravodiče 2. druhu. Jsou to zpravidla slitiny a nedávno objevené keramické materiály, do kterých může pronikat i silné magnetické pole, aniž by supravodivé proudy zničilo. Jaký mechanismus propůjčuje těmto látkám zázračnou schopnost vydržet "útok" magnetických siločar? Za odpověď vděčíme dalšímu z oceněných, fyziku Alexeji Abrikosovovi. Tento ruský vědec odešel v roce 1991 do USA, dnes má americké občanství. V 50. letech Abrikosov pracoval v Kapicově fyzikálním ústavu v Moskvě. Vyšel tehdy z Ginzburgovy-Landauovy teorie a podařilo se mu ukázat, že do supravodičů 2. druhu magnetické pole vniká postupně. "Proniká dovnitř v podobě čar magnetického toku, připomínajících tenoučké nitě o průměru desítek miliontin centimetru. Jak pole sílí, objevuje se těchto čar stále více," vysvětluje dr. Dvořák. Intenzitu náporu však opět nelze zvyšovat donekonečna - sílící pole se nakonec dostane do celého objemu látky a supravodivý stav zmizí. Skutečnost, že supravodiče 2. druhu "přežijí" i v poměrně silném magnetickém poli, má obrovský význam. Tyto látky jsou jádrem přístrojů pro nukleární magnetickou rezonanci, levitujících rychlovlaků či obřích urychlovačů částic.

"Všichni tři máme něco společného," charakterizoval Abrikosov letošní laureáty. "Jsme už dost staří lidé. Objevy, za něž nyní dostáváme Nobelovu cenu, jsme učinili před mnoha lety. Pracovali jsme ve světě, v němž prakticky neexistovaly počítače". Ruský vědec, který nyní působí v Argonne National Laboratory v Illinois, neskrývá svou radost z finanční odměny. "Když jsem přišel (do USA), neměl jsem žádné úspory. Bylo mi v té době 62 let. Teď je mi 75 a je čas myslet na penzi. Už si nemusím dělat starosti, jak shromáždit dost peněz, abych mohl odejít do důchodu," říká. Ve světě nízkých teplot existují jevy, které se vzpírají běžnému chápaní. Fyzikové hovoří nejen o supravodivosti, ztrátě elektrického odporu, ale také o supratekutosti - ztrátě viskozity, vnitřního tření kapaliny.

Řád se mění v chaos

Kdybychom plavali v supratekuté kapalině (dost nezáviděníhodná úloha vzhledem k tomu, že látka těchto vlastností musí mít teplotu těsně nad absolutní nulou), cítili bychom, že kapalina neklade našim pohybům žádný odpor. Látkou těchto mimořádných vlastností může být například zkapalněné helium. Již ve 30. letech minulého století to zjistil ruský fyzik Pjotr Kapica u izotopu helia se dvěma protony a dvěma neutrony (helium 4). Existuje však i jiný izotop, helium 3, které má v jádře pouze jeden neutron. Až do 70. let 20. století vědci netušili, že i helium 3 může být supratekuté. Získává tuto vlastnost za teploty ještě mnohem nižší než helium 4, pouhé tisíciny stupně nad absolutní nulou. Podobně jako elektrony v supravodiči, musejí atomy helia 3 nejprve vytvořit páry, tentokrát ale se souhlasně orientovanými spiny. Díky tomu má supratekuté helium 3 pozoruhodné magnetické a řadu dalších výjimečných vlastností, které sesterskému izotopu scházejí. Prvním, kdo je dokázal objasnit, byl Brit Anthony Leggett, třetí z letošních laureátů.

Fyzika díky Leggettovi dovede vysvětlit celou řadu nových kvantových efektů projevujících se v makroskopickém měřítku. Supratekuté helium 3 umožňuje zkoumat i klasické jevy, například vznik turbulencí - tedy to, jak se řád mění v chaos. Je to jeden z posledních nevyřešených problémů klasické fyziky. Pětašedesátiletý Anthony Leggett je nyní profesorem na Illinoiské univerzitě. Má americké občanství. Své dva kolegy, Ginzburga a Abrikosova, podle svých slov dobře zná a je potěšen, že sdílí cenu právě s nimi.

(Lidové noviny, www.lidovky.cz)