Fizikai Nobel-díj –1996

BŐDY ZOLTÁN


Az 1996. évi fizikai Nobel-díjat Douglas Osheroff (Stanford Egyetem, Kalifonia), David Lee és Robert Richardson (mindketten a Cornell Egyetem, New York munkatársai) kapták. A kitüntetés a mintegy két évtizedes kutatás eredményeit jutalmazta, melynek során a hélium 3 tömegszámú izotópjának a szuperfolyékonyságát tárták fel.
 
 

David Lee Douglas Osheroff  Robert Richardson 

A szuperfolyékonyság a rendkívül kis hőmérsékletre lehűtött rendszerek meglepő tulajdonsága, amit már 1930-ban felismertek, ám akkor a hélium 4 tömegszámú izotópjának tulajdonságaként. A mostani felfedezést éppen az emeli a rendkívüliség szintjére, hogy a hélium-3 lényegesen más tulajdonságú, mint a hélium-4. Tehát az új szuperfolyékony tulajdonságnak – miközben a kvantummechanikai elvi okai ugyanazok – más részletei kerültek előtérbe. Továbbá: ennek az új szuperfolyékonyságnak kicsiben olyan sajátságait vették észre, melyek kísértetiesen emlékeztették azokra a kozmológiai kutatásokban időközben felmerült lehetőségekre, amelyek kvantummechanikai okokból a nagy, a makroszkopikus méretek világában, az univerzum korai fejlődési szakaszában játszhattak fontos szerepet. Így hát, ahogyan az alábbiakban megpróbáljuk megvilágítani, a hélium-3 szuperfolyékonyságának felfedezése valóban méltó a Nobel-díjra.

 A hélium-3 a hélium (He) kémiai elem ritkábban előforduló stabilis izotópja. Az atommagjában két proton és egy neutron van, szemben a gyakoribb, a közönségesebb hélium-4 izotóp atommagjával, amely alfa-részecske néven hatalmas karriert futott be. Az alfa-részecske – a He4 magja – két proton mellett két neutront tartalmaz.

 Osheroff 1970 táján éppen a PhD-minősítés elnyeréséért dolgozott David Lee laboratóriumában. Kísérletei során néhány köbcenti hélium-3-preparátumot próbált egyre alacsonyabb hőmérsékletre lehűteni. Amikor a 0,025 K (kelvin), vagyis 25 mK hőmérsékletet elérte, meglepetéssel vette észre, hogy az anyagminta szuperfolyadékká vált, még pedig különleges szuperfolyadékká.

 A történet igazi pikantériája az, hogy Osheroff, Lee és Richardson tulajdonképpen csak véletlenül bukkant erre az eredményre. A hélium-3 szuperfolyékonyságát ugyanis elméleti úton mások már előre megjósolták, azonban az átalakulás hőmérsékletére elképesztően kis értéket, 10–17 K értéket adtak. A kísérleti vizsgálatok egészen 1970-ig nern jártak sikerrel, nem találtak ilyen jelenséget a 3He-ban. Osheroffék ezért nem is – elsősorban – ezt tanulmányozták. A 3He egyébként is fura anyag, mert eseppfolyós állapotából csak energiabefektetéssel lehet szilárd állapotba vinni. A kísérletek a 3He szilárd anyagában a nukleáris antiferromágnesség felléptére irányultak.

 A 3He "megszilárdításának" energiaelvonó hatása mellesleg ígéretes járulékos hűtési mechanizmusnak kínálkozott, amivel a 3He és más anyagok keverékét még alacsonyabb hőmérsékletre lehet hűteni az ún. adiabatikus lemágnesezés mellett. Eközben bukkantak a 3He szokatlan szuperfolyékonyságára.

A szuperfolyadék az a folyadék, ami a hagyományos folyadékokkal szemben olyan tulajdonságokkal is bír, mint pl. a hártya menti "spontán" folyás felfelé(!), a vékony lyukon mutatkozó ún. szökőkút-effektus, egyszóval a belső súrlódás látszólag teljes megszűnése. Ezt a "normális" szuperfolyékonyságot először JackAllen (Torontói Egyetem, Kanada) állította elő 1930-ban. Allen a hélium-4 anyagmintáját mintegy 2 K hőmérsékletre hűtötte le (maga a 2 K előállítása is akkor még jelentős kísérleti technikai siker volt). Szuperfolyékonyság elvileg sok elemnél előfordul, ám a legtöbb folyadék szilárddá fagy meg, még mielőtt a szuperfolyadékhoz szükséges kvantummechanikai állapot bekövetkezne. Azonban, ahogyan a hőmérséklet az abszolút zérus felé tart, csak a héliumnál marad meg mindvégig a folyadék-halmazállapot, így egyedül ennél az elemnél lép fel ténylegesen is szuperfolyékonyság. Azóta a szuperfolyékonyság nagyszerű és rendkívül látványos megnyilvánulásairól sok kutató, így pl. F London, L. D. Landau fizikus felismerései szerint az derült ki, hogy e jelenségek a mélyhűtött (termikus energiájuk igen jelentős részétől megfosztott) rendszerek kvantummechanikai sajátságainak makroszkopikus eredményei. Szóval ezek valójában kvantumfolyadékok, amelyek a sok, nagyságrendben Loschmidt-Avogadro-számnyi (kb. 6·1023 db) részecske (helyesebben: kvantummechanikai objektum) összesűrűsödött, kondenzált állapotai. Ám azt már a 20. század eleje óta tudjuk, hogy a foton típusú objektumok kvantumstatisztikája, a Bose-statisztika az egyik "viselkedési mód" megfogalmazása. A tulajdonképpeni kvantummechanika kidolgozásainak megkezdése után, főleg pedig az elektronspin (az elektron saját, nem keringésből származó, nem pálya menti impulzusnyomatékának) felfedezése után kidolgozták a Fermi-Dirac-féle kvantumstatisztikát.

 A két kvantumstatisztika megkülönböztetése a mikroobjektum spinje szerint történik. Ennek az az alapja, hogy a  ("há-vonás", a Planck-állandó 2p-vel osztott értéke) egységeiben mért spin feles értékű sajátimpulzus-nyomatékot hordozó objektumokra, pl. az elektronokra, a protonokra, a neutronokra, a neutrínókra stb. a Pauli-elv érvényes: egy rendszerben két ilyen mikroobjektum nem lehet olyan állapotban, amelyben minden kvantumszáma (fizikai tulajdonságaik mérőszáma) ugyanaz. Ez a kizárási elv néven is emlegetett megállapítás tehát a feles spinű objektumokra érvényes.

 A egységekben mérve, az egész sajátimpulzus-nyomatékot, spint hordozó objektumokra nincs ilyen kizárási elv.

 Nyilvánvaló, hogy a sok mikroobjektumot leíró statisztikai megközelítés más lesz a feles és más az egész spinű objektumok világában. A választóvonal a Pauli-elv, mert ez megtiltja, hogy a feles spinű objektumok energiaelvonás következtében olyan kisebb energiájú állapotokba menjenek, ahol már van egy testvérkéjük, míg az egész spinűek minden további nélkül összezsúfolódhatnak ilyen esetben. Tehát többek között éppen a kondenzáció során, vagyis a mélyhűtött, az extrém alacsony hőmérsékleten mutatkozhatnak meg furcsa különbségek a két sokaság viselkedésében egymáshoz, no meg természetesen a nem-kvantummechanikai klasszikus folyadékokhoz képest.

 Az egész (0,1 stb.) -nyi spinű objektumok statisztikáját S. N. Bose és A. Einstein dolgozta ki, ezért ezeket az objektumokat bozonoknak nevezik. Ilyenek pl. a fotonok, az alfa-részek stb.

 A feles (1/2, 3/2 stb.) -nyi spinű objekturnok statisztikáját E. Fermi és P A. M. Dirac alkotta meg, ezért ezeket az objektumokat fermionoknak nevezik. Ilyenek az elektronok, a protonok, a neutronok, a neutrínók stb., de ilyenek a 3He (hélium-3) atommagok is.
 

Aki a szupravezetést felfedezte: Kammerlingh-Onnes

 A kondenzált kvantumfolyadékok másik látványos megnyilvánulása a szupravezetés jelenségköre. Közel az abszolút zérus fokhoz, többfajta anyag (elemi fém, több ötvözet s pár vegyület is) mutat meglepő viselkedést. Hűtéskor az elektromos ellenállás lassan csökken, majd hirtelen – mintegy ugrásszerűen – zérussá válik. A szupravezetést 1911-ben fedezte fel H. Kammerlingh-Onnes holland fizikus. (Az átmeneti vagy ugrási hőmérséklet pl. higany esetén – aminél a felfedezés történt – 4,15 K, ólomnál 7,22 K és kadmiumnál 0,54 K.) Az egy vegyértékű fémek –  Ag, Cu, Au –  nem mutatnak szupravezetést, valamint a ferromágneses fémek, pl. a vas sem. (Hogy milyen kicsi a szupravezető –  előbb zérusnak mondott –  maradék-ellenállása, arra nézve elmondjuk, hogy egy szupravezető ólomgyűrűben kerengő, néhány száz amper erősségű áram több mint egy évig folyt észlelhető változás nélkül. Ebből ki tudták számítani, hogy az eredeti –  tehát még nem szupravezető –  gyűrű ellenállásának még a 1017-ed részét sem érte el a szupravezető maradék-ellenállása.) A szupravezetők mágneses tulajdonságai is különösek. Pl. a szupravezetők belsejében nem lehetséges mágneses indukció (Meissner– Ochsenfeld-effektus). Ezt úgy is kifejezhetjük, hogy szupravezető állapotban a mágneses permeabilitás zérus, vagyis az anyag "tökéletes diamágnesként" viselkedik, a szupravezetővé váló anyag kiszorítja magából a mágneses fluxust.

Bardeen–Cooper– Schrieffer

 Ennek a (mondhatnánk "klasszikus") szupravezetésnek az elméleti leírásáért 1972-ben osztották meg a Nobel-díjat J. Bardeen, J. R. Schrieffer és L. Cooper között. Az ún. magas hőmérsékletű szupravezetés jelensége csak a nyolcvanas évek közepétől merült fel –  elsősorban egyes kerámiák kapcsán. (Az, hogy elektromos táwezetékeknél felhasználhatók lesznek-e a magas hőmérsékletű szupravezetők-bár ennek óriási haszna lenne – , mindmáig nyitott kérdés.) A szupravezetés Bardeen–Cooper– Schrieffer-féle (BCS) elméletében érdekesen mutatkozik meg a kétféle kvantumstatisztika különbsége és összjátéka is. A BCS-elmélet szerint az átalakulási hőmérséklet alatt a szupravezető anyagban az elektronok (fermionok) olyan mértékű energiaveszteséget szenvednek, hogy már készségesen alakulnak az egymással ellentétes spinállású (Pauli-elvnek megfelelő) elektronok párba (ezek összesen nulla spinű objektumot alkotnak, tehát bozonokká válnak, ez a folyamat a bozonizáció). A Cooper-párok bozonok, az energiaelvonás (hűtés) során zavartalanul kondenzá,lódhatnak a rendszer olyan állapotaiban, amelyeket egyszerre több azonos kvantumszámú objektum is elfoglalhat. A Cooper-párok kialakulását a hűtés során az teszi egyáltalán lehetővé, hogy a független elektronok és a párok energiája között jelentős energiahézag van, ami tükröződik a rendszer lehetséges energiáiban is (innen a küszöbhőmérséklet). Szemléletesen úgy fogalmazhatunk, hogy az elektromosan töltött Cooper-párok mint bozonok kondenzált állapotában fellépő szuperfolyékonysága valósítja meg a szupravezetést. A Cooper-pár bozonok gyakorlatilag akadálytalanul áramlanak a fém ionkristály-rendszerében.

 A 3He szuperfolyékonysága esetén is a bozonizálódás játszik fontos szerepet: a 3He fermionokból –  spinösszeadással – 1-es spinű bozonok jönnek létre. Itt, szemben a 4He –  mondhatjuk, klasszikus –  kvantumfolyadékkal, a legfigyelemreméltóbb újdonság e folyadék anizotróp volta, vagyis, hogy tulajdonságai irányfüggőek; tehát nem úgy viselkedik, mint pl. a víz, hanem úgy, mint pl. egy jól definiált rostokkal bíró fadarab.

 Az erről beszámoló cikket azonban, először visszadobták a Physical Review Letters-től –  "kizárt, hogy egy folyadék így viselkedjék!" – , de a szerzők kötötték az ebet a karóhoz: így a cikk mégis csak megjelent.

 Más kutatók további kísérletei alapján, a 3He viselkedése még komplikáltabb: e szuperfolyadéknak három különböző –  szuperfolyékony –  fázisa van (az I=1-es eredő spinnek –  a mágneses tér irányához képesti –  2I+1=3 lehetséges beállási irányának megfelelően).

 Mindezek a tulajdonságok éppen negyed évszázadon át tartották bűvöletükben a fizikusokat. Az izgalom tovább nőtt 1986-tól, amikor felfedezték a "magas hőmérsékletű szupravezetőket", amelyek tulajdonságai ugyancsak irányfüggőek. Több elméleti fizikus szerint most a szuperfolyékony 3He-ban létrejövő komplex párok segítenek megérteni majd az említett magas hőmérsékletű szupravezetést is.

 Elég sok idő telt el a felfedezéstől a Nobel-díjig, de Osheroff azt mondta, a felfedezés izgalma máig megmaradt benne. "Az adrenalinszint akkori megemelkedése –  az ereimben –  ma is megismétlődik, valahányszor erre az eseményre visszagondolok" –  nyilatkozta.

Lásd még Zawadowski Alfréd: Szupravezetés és szuperfolyékonyság a Nobel-díjak tükrében