Nakon što je 1908. godine uspješno ukapljio helij i postigao temperaturu od 4.2 K (-2690C), nizozemski fizičar Heike Kammerling Onnes započeo je istraživanja električnih svojstava metala na niskim temperaturama. U to je vrijeme već bilo poznato da se sa snižavanjem temperature otpor metala smanjuje, ali je postojalo nekoliko teorija o njegovoj vrijednosti na temperaturama blizu apsolutne nule. Lord Kelvin je vjerovao da na vrlo niskim temperaturama prestaje svako gibanje elektrona, dok su drugi, među kojima je bio i Onnes, smatrali da otpor postepeno opada i na nekoj temperaturi poprima minimalnu vrijednost.
1911. godine mjereći otpor žive (koja se mogla dobiti u vrlo čistom stanju), Onnes je opazio da blizu 4.2 K njezin otpor naglo pada na nulu, što je opisao riječima: "Živa je prešla u novo stanje, koje se zbog svojih iznimnih električnih svojstava može nazvati supravodljivo stanje". |
|
Onnesovo otkriće je manifestacija prvog bitnog svojstva supravodiča: hlađenjem ispod neke određene (tzv. kritične) temperature TC njihov električni otpor je nula, i struja kroz njih teče bez gubitaka praktički beskonačno dugo (odnosno sve dok je materijal na temperaturi koja je niža od kritične temperature). U jednom od svojih eksperimenata Onnes je utvrdio da se struja (koja je godinu dana bila u zatvorenoj petlji iz živine žice) nije promijenila. Taj eksperiment je kasnije ponovljen, a iz preciznih mjerenja struje (koja je kroz supravodljivu petlju tekla 4 godine) procijenjeno je da je otpornost supravodiča manja od 10-23Ohmcm.Do 1933. godine se smatralo da je supravodljivost zapravo slučaj idealne vodljivosti. Tada su Meissner i Ochsenfeld otkrili da supravodiče karakterizira još jedno bitno svojstvo, koje je nezavisno od idealne vodljivosti: ako se neki materijal koji ima supravodljiva svojstva stavi u magnetsko polje i ohladi na temperaturu koja je niža od kritične temperature TC, magnetsko polje biti će istisnuto iz unutrašnjosti supravodiča (točnije rečeno, prodiranje magnetskog polja biti će samo u tankom površinskom sloju, pri čemu će to polje eksponencijalno trnuti). Na površini supravodiča induciraju se struje koje stvaraju takvo magnetsko polje koje poništava vanjsko polje, te je u unutrašnjosti supravodiča magnetsko polje uvijek nula. Ova pojava se opisuje kao idealni dijamagnetizam. Meissnerov efekt se javlja samo za relativno slaba magnetska polja; ako polje prijeđe određenu (kritičnu) vrijednost, ono prodire u cijelu unutrašnjost supravodiča i materijal prelazi u normalno stanje.
Do šezdesetih godina ovog stoljeća intenzivna eksperimentalna i teorijska istraživanja supravodljivosti imala su za cilj pronaći materijale sa što višom vrijednošću kritične temperature, ali i dati potpuno fizikalno objašnjenje same pojave. 1957. godine Bardeen, Cooper i Schrieffer su postavili cjeloviti teorijski model (tzv. BCS teorija), prema kojem je supravodljivost posljedica stvaranja parova elektrona uz pomoć vibracija kristalne rešetke (fonona). S druge strane, 1961. godine je pronađen supravodljivi spoj Nb3Sn, koji je imao ne samo do tada najvišu vrijednost kritične temperature (23 K), nego i značajno bolja supravodljiva svojstva (kritične gustoće struje do 105 A/cm2, kritična magnetska polja > 20 T). Razvijeni su tehnološki postupci dobivanja Nb3Sn u velikim količinama, i time su se konačno otvorile mogućnosti šire industrijske i "makro" primjene supravodljivosti.
Činjenicu da je supravodljivost bila ograničena na relativno niske temperature (koje su se mogle postići uglavnom sa skupim tekućim helijem) nisu prihvaćali mnogi. Eksperimentalna i teorijska nastojanja da se pronađu novi materijalima sa što višom kritičnom temperaturom bila su od samog početka prethodnica u istraživanjima supravodljivosti.
1986. godine Bednorz i Miller su otkrili da keramički La-Ba-Cu-O spoj ima supravodljivi prijelaz na 35 K. Bio je to početak novih istraživanja tzv. visokotemperaturnih supravodiča. 1987. spoj pronađeno je da je spoj YBa2Cu3Ox (YBCO) supravodljiv iznad 90 K, a kasnije su sintetizirani i druge takve tzv. perovskitne strukture, s vrijednostima kritičnih temperatura iznad 130 K. Otkriće visokotemperaturnih supravodiča predstavljalo je i prekretnicu u širem prihvaćanju supravodljivosti, koju je sada bilo moguće postići pomoću jeftinog tekućeg dušika (koji se ukapljuje na 77 K). U odnosu na "klasične" supravodiče, nove materijale karakteriziraju i veće gustoće struja, i iako još nisu u potpunosti razriješeni svi tehnološki problemi, oni će omogućiti još značajnije korištenje supravodljivosti.
Već dvije godine nakon svog otkrića Onnes je pokušao iskoristiti supravodiče za dobivanje jakih magnetskih polja. Nažalost, tada poznati supravodljivi materijali nisu podnosili velike gustoće struje, te je već i slabo magnetsko polje, stvoreno prolazom struje kroz njih, razbijalo supravodljivo stanje.
Supravodljivo stanje je definirano s tri važna parametra: kritična temperatura (TC), kritično magnetsko polje (HC) i kritična gustoća struje (JC). Svaki od tih parametara je jako ovisan o preostala dva, i samo ako su svi manji od kritične vrijednosti za dani materijal, materijal će biti u supravodljivom stanju. Danas je poznato da su čisti metali (a takvi su bili prvi otkriveni supravodiči) supravodiči I vrste s malim vrijednostima kritičnog polja HC (< 0.1 T). " Klasične" supravodljive legure i spojevi, kao i novi visokotemperaturni supravodiči su supravodiči II vrste, sa znatno višim vrijednostima kritičnog polja (HC > 20 T za npr. Nb3Sn; HC > 100 T za YBaCuO). Zavisno o jačini vanjskog magnetskog polja, supravodiči II vrste pokazuju Meissnerov efekt (ako je H < HC1, donjeg kritičnog polja), odnosno prelaze u miješano stanje, za HC1 < H < HC2 (gornje kritično polje), kad magnetski tok djelomično prodire kroz materijal, te je jedan njegov dio u normalnom, a drugi dio u supravodljivom stanju. (Otpor cijelog materijala je i dalje jednak nuli). Do prijelaza cjelokupnog materijala u normalno stanje dolazi tek za H > HC2 .
U miješanom stanju može doći do interakcije (Lorentzova sila !) između struje i magnetskog toka koje prodire kroz materijal, što dovodi do disipacije i gubitka supravodljivih svojstava. Zbog toga se dodatnim tehnološkim postupcima linije magnetskog toka učvršćuju unutar supravodiča, čime se postiže da kritične gustoće struje za takav "tvrdi" supravodič mogu biti jako velike (105 A/cm2), a materijal pogodan za primjene.
Početkom sedamdesetih godina se tako završava jedno važno razdoblje u povijesti supravodljivosti: fizikalna pojava bila je u potpunosti razjašnjena, na raspolaganju su bili materijali pogodni za široku primjenu, a prvi prototipovi novih uređaja dokazali su svoje prednosti. No potencijalne prednosti supravodljive tehnologije trebalo je tek nametnuti. S jedne strane postojalo je nepovjerenje prema prihvaćanju supravodljivosti, zbog velikog temperaturnog neslaganje između svijeta u kojem se ona javlja i svakodnevnice. Praktična uporaba supravodiča bila je ograničena na niske temperature, i zahtijevala je korištenje vrlo skupog tekućeg helija (na 4.2 K), postrojenja za ukapljivanje i recikliranje helija, posebne termički izolirane posude (tzv. kriostate) i stručnu osposobljenost operatora za specifične procedure rada. S druge strane bili su ekonomski parametri: uvođenje niskih temperatura te velikih supravodljivih uređaja bilo je moguće samo ako su njihove i radne ali i ekonomske karakteristike bile bitno povoljnije u odnosu na postojeće klasične metode, pri čemu su troškovi za hlađenje trebali biti minimalni. Zbog toga je korištenje supravodljivosti i dalje bilo ograničeno na laboratorijske uvjete, gdje su ekonomski argumenti često u drugom planu.
Supravodljivi magneti bili su prva široka i praktična primjena klasičnih supravodiča. Izrađeni iz Nb3Sn ili NbTi (drugog, vrlo pogodnog, "tvrdog" supravodiča) imali su velike prednosti u odnosu na klasične elektromagnete (desetak puta jača magnetska polja, veća homogenost, veći korisni radni volumen). Osim toga, u supravodljivom namotaju se struja može posebnim supravodljivim prekidačem zatvoriti u petlju, nakon čega se vanjski izvor napajanja može isključiti odnosno ukloniti, a magnetsko polje ostaje nepromijenjeno sve dok je supravodič na temperaturi nižoj od kritične temperature. Jako magnetsko polje, te neovisnost o vanjskom izvoru napajanja, čini supravodljive magnete vrlo pogodnima za magnetsku levitaciju.
