Az 1972. évi fizikai Nobel-díjat John Bardeen, Leon Cooper és John Robert Schrieffer amerikai tudósoknak ítélték oda a szupravezetés elméleti kérdéseiben elért figyelemre méltó eredményekért.
A kitüntetés a három tudós eredményes munkájának elismerése mellett tükrözi azt a fejlődést is, amelyet az utóbbi években a szupravezetés elméleti kérdéseinek megismerésében és a műszaki alkalmazások terén a fizika elért.
A kísérleti fizika régóta ismeri a tiszta fémeknek azt a tulajdonságát, hogy villamos ellenállásuk a hőmérséklet csökkenésével kisebb lesz. A jelenség magyarázata egyszerűnek látszik. Minden fém rácsszerkezetű; a rácspontokban fémionok vannak. Az ionok szabad, ebben az esetben pozitív elektromos töltéssel rendelkező atomok. A fémionok a hő hatására egyensúlyi helyzetük körül állandó rezgőmozgást végeznek. A rácsközi tér minden fém belsejében szabad elektronokat tartalmaz, melyek rendezetlen mozgást végeznek. Elektromos tér hatására ezen kívül még egy irányban is elmozdulnak. Ilyenkor a fémekben villamos áram keletkezik.
A szabad elektronok az elektromos térben felgyorsulnak. Mozgási energiájukból a fémionokkal való ütközés útján veszítenek. Ha csökken a fém hőmérséklete, kisebb lesz a fémionok rezgőmozgásának amplitúdója is. Világos tehát, hogy a fémionok ezáltal kevésbé akadályozzák az elektronok irányított mozgását, azaz csökken a fém ellenállása.
Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) holland fizikus az igen alacsony hőmérsékletek technikai előállításával foglalkozott. 1908-ban elsőnek sikerült előállítania cseppfolyós héliumot. Ezért az eredményéért öt évvel később fizikai Nobel-díjjal jutalmazták. Ő kezdte meg a fémek fajlagos ellenállásának vizsgálatát igen alacsony hőmérsékleten. E vizsgálatok közben fedezte fel 1911-ben a szupravezetést.
Az abszolút nulla fok mínusz 273,16 Celsius fokot jelent. A termodinamika harmadik alaptétele szerint a természetben ennél alacsonyabb hőmérséklet sehol sem létezhet. Pontosabban fogalmazva: ez a hőmérséklet tetszőleges pontossággal megközelíthető, de soha el nem érhető. Kelvin angol fizikus ezért választotta ezt a hőmérsékletet abszolút hőmérsékleti skálájának alappontjául. E skála jelentősége egyrészt az, hogy nem tartalmaz negatív hőmérsékletet, másrészt pedig az, hogy a gáztörvények az abszolút hőmérséklet bevezetésével egyszerűbb alakot öltenek. Kamerlingh Onnes azt tapasztalta, hogy a tiszta fémek vezetőképessége rendkívül megnövekszik, ha hőmérsékletük megközelíti az abszolút nulla fokot. A tiszta higany ellenállása a hőmérséklettel arányosan csökken 4,2 Kelvin fokig.
Ez alatt a hőmérséklet alatt azonban a higany villamos ellenállása hirtelen nullára csökken. Azóta sok fémen, ötvözeten és félvezetőn észleltek hasonló jelenséget. A tudósok azt tapasztalták, hogy minden vezetőanyaghoz tartozik egy jól meghatározott (úgynevezett kritikus) hőmérsékletérték, amely alatt a szupravezetési állapot azonnal fellép.
A kritikus hőmérséklet anyagfajtától függően 0,1-20 Kelvin-fokos hőmérsékleti tartományban változhat. Szupravezető állapotban a vezetőknek nincs mérhető villamos ellenállásuk. Jelenleg még nem tudjuk, hogy szupravezető állapotban az ellenállás valóban nulla-e vagy csak igen kicsiny értékű, mindössze azt sikerült megállapítani, hogy tízezer billiószor kisebb, mint normális állapotban.
Az sincs még eldöntve, hogy juthat-e minden fém szupravezetői állapotba. A lítium, nátrium, kálium és a platina 0,1 Kelvin-fokos hőmérsékletig még nem éri el a szupravezetői állapotot. Maga az átmenet ebbe az állapotba csak a rendkívül tiszta fémeknél ugrásszerű, a többieknél létezik egy úgynevezett átmeneti tartomány.
A röntgensugaraknak szupravezető fémeken való elhajlásából igazolást nyert, hogy az átmeneti hőmérsékleten az anyagon belül elszigetelt tartományok válnak szupravezetőkké, az anyag többi része pedig megmarad normális állapotban. A hőmérséklet további csökkenésével az utóbbi rész térfogata mind inkább kisebbedik. Valójában tehát az anyag kétféle állapotban van: normális és szupravezető állapotban. Az átmeneti állapotot ezek keveréke alkotja. Mivel az átmenetet átalakulási hő kíséri – éppen úgy, mint a halmazállapot-változásokat – a két egymástól eltérő állapotot két különböző fázisnak tekinthetjük.
A szupravezető állapotban levő anyagok különlegesen viselkednek a mágneses térrel szemben. A külső mágneses tér – egy igen vékony felületi rétegtől eltekintve – nem hatol be a szupravezető állapotban levő anyagba. Ha a fémben eredetileg mágneses tér volt, szupravezetői állapotba való kerülésekor az kiszorul belőle, és csupán egy vékony felületi rétegre korlátozódik. Ezért lesz ilyen állapotban a mágneses permeabilitás (a mágnesezhetőségre jellemző anyagállandó) is nulla vagy ehhez közeli értékű.
Bizonyos nagyságú külső mágneses tér megszünteti a szupravezetői állapotot. Ha a szupravezető fémekben az áramerősség elér egy kritikus értéket, akkor ennek az áramnak a mágneses tere is képes megszüntetni a szupravezető állapotot. A szupravezető állapot elméleti értelmezésére felfedezése óta igen sok próbálkozás történt. Ezeknek legtöbbje ma már csak tudománytörténeti jelentőségű.
Az elemi részecskék viselkedése kizárólag a kvantumelmélet segítségével értelmezhető. Ez az oka annak, hogy a szupravezetői állapot elméleti magyarázatának vázolásakor kvantumelméleti alapfogalmakba ütközünk.
A három új Nobel-díjas amerikai fizikus Frölich elektron-fonon kölcsönhatáson alapuló modelljét fejlesztette tovább. A fonon vagy hangkvantum a szilárd testek sajátságainak leírására bevezetett kvázirészecske. Ahogy az elektromágneses hullámoknak megfelelő anyagi részecske a foton, ugyanúgy a fémkristályokban terjedő mechanikai hullámoknak egy, az előbbihez nagyon hasonló viselkedésű kvázirészecske, a fonon felel meg. A fémkristályt alkotó ionok mozgása a különböző hullámhosszú és sarkítású fononok által írható le. Ennek a képnek lényeges előnye az, hogy a kristályrács és az elektron közötti kölcsönhatás a fonon színképmegváltozásával fejezhető ki.
A három új Nobel-díjas tudós feltételezte, hogy ellentett kvázi-impulzusú (mozgásmennyiségű) és ellentétes spinű (a spin a negyedik kvantumszám, amely képletesen az elektron tengely körüli forgását jellemzi) elektronok között pár-kölcsönhatás létezik. Ezen az alapon olyan sajátfüggvényt vezettek be, amely ezzel a pár-kölcsönhatással összhangban van.
Ennek a közelítő sajátfüggvénynek a segítségével kvantumelméleti módszerekkel kiszámították az egyes fizikai mennyiségek középértékeit: ezért az úttörő munkásságukért kapták meg a Nobel-díjat.
Megjelent A Hét III. évfolyama 44. számában, 1972. november 3-án.