ზეგამტარობა

არ აქვს მნიშვნელობა, პერსონალური მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფისთვის გჭირდებათ წარმოუდგენლად ძლიერი მაგნიტური ველი თუ უბრალოდ ფეისბუქის სქროლვისგან გადახურებული ტელეფონის ხელში ჭერა მოგბეზრდათ – ხსნა მაინც ზეგამტარებშია.

მარცხნიდან მარჯვნივ: პოლ ერენფესტი, ჰენდრიკ ლორენცი, ნილს ბორი და კამერლინგ ონესი, ონესის ლაბორატორიაში. (წყარო)

ყველაფერი დაიწყო 1908 წლის 10 ივლისს, როდესაც ლაიდენის უნივერსიტეტში ჰაიკე კამერლინგ ონესმა (Heike Kamerlingh Onnes) თავისი გაიტანა და ზაფხულის ძალიან ცხელ დღეს ძალიან ცივი თხევადი ჰელიუმი მიიღო მისი 4.2 კელვინამდე გაცივებით (−272.20 გრადუსი ცელსიუსით). ამით მან “აირების გათხევადების რბოლას” წერტილი დაუსვა და თავის მოსისხლე მტერს, ჯეიმს დიუარს (James Dewar), პირველად გადაასწრო ნობელის პრემიამდე მიმავალ გზაზე.

ეს ყველაფერი რევოლუციურ შედეგად მიიჩნეოდა, თუმცა მიზანი თხევადი ჰელიუმის მიღებაში პირველობა ნამდვილად არ იყო. იმ დროისთვის მასალათმცოდნეობის (რომელიც დღეს ცნობილია, როგორც კონდენსირებულ გარემოთა ფიზიკა) მიმდევრებს აინტერესებდათ სხვადასხვა ნივთიერების თვისებები ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე და სწორედ ასეთი კვლევების საშუალებას იძლეოდა თხევადი ჰელიუმი.

ალბათ, ცოტა გასაკვირი იქნებოდა, კამერლინგ ონესიც რომ არ ჩართულიყო ექსპერიმენტების შემდეგ ეტაპზე, ამიტომ ჰელიუმის გათხევადებიდან ძალიან მალე მანაც დაიწყო ჯეიმს დიუარის ექსპერიმენტების გამეორება – მეტალების ელექტრული წინაღობის გაზომვა ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე. ჯერ იყო ოქრო, შემდეგ – პლატინა. ბოლოს ვერცხლისწყალიც გააცივა თხევადი ჰელიუმით და 1911 წლის 8 აპრილის 16:00 საათზე ბლოკნოტში ჩაწერა: “ვერცხლისწყალი – თითქმის ნული” (“Kwik nagenoeg nul”). მან აღმოაჩინა ზეგამტარობის ფენომენი, რითაც ჯეიმს დიუარი საბოლოოდ მოიტოვა უკან. 1913 წელს კამერლინგ ონესი დააჯილდოვეს ნობელის პრემიით.

კამერლინგ ონესის ორიგინალი ჩანაწერი: ვერცხლისწყალი – თითქმის ნული (3 კელვინზე). (წყარო)

იმ დროისთვის ფიზიკოსები ზეგამტარობის მოვლენაზე ბევრს ვერაფერს გეტყოდნენ, თუმცა ერთი რამ შეეძლოთ ეთქვათ: “არ ვიცით, რატომ, მაგრამ ზოგ მეტალს ძალიან თუ გავაცივებთ, რაღაც კრიტიკული ტემპერატურაზე ქვემოთ ელექტრული წინაღობა ძალიან სწრაფად უქრება და იდეალურად, თანაც უსასრულოდ, ატარებს დენს. შემდეგ თუ გავათბობთ კრიტიკულ ტემპერატურაზე მეტად, მაშინ წინაღობა ისევ ჩნდება და გვაქვს ჩვეულებრივი გამტარი.

Onnes’s graph plotting electrical resistance of a mercury sample versus temperature in kelvins. At 4.2 K, the resistance drops abruptly to a value no greater than 10 − 5 Ohms. From H. Kamerlingh Onnes, ‘‘Sur les r  ́sistances  ́l  ́ctriques,’’ in P. Langevin and M. de Broglie, eds., Le Theorie du 
ვერცხლისწყლის წინაღობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულება. კამერლინგ ონესის ორიგინალი გრაფიკი. ჰორიზონტალურ ღერძზე გადაზომილია ტემპერატურა და ვერტიკალურზე – წინაღობა. 4.2 კელვინის მიდამოში კარგად ჩანს წინაღობის ვარდნა – ნიმუში გადადის ზეგამტარ მდგომარეობაში. (წყარო)

შემდეგი 30 წლის განმავლობაში საკმაოდ კარგად გაიდგა ფესვები იმ აზრმა, რომ მეტალის ზეგამტარ მდგომაროებაში მხოლოდ წინაღობა ქრება. 1933 წელს ვალტერ მაისნერი (Fritz Walther Meissner) და რობერ ოქსენფელდი (Robert Ochsenfeld) იკვლევდნენ გარეშე მაგნიტური ველის ეფექტებს ზეგამტარებზე. მათ ნიმუში მოათავსეს მაგნიტურ ველში და მხოლოდ ამის შემდეგ დაიწყეს მისი გაცივება, პარალელურად კი ზომავდნენ მაგნიტური ველის განაწილებას ნიმუშის ზედაპირთან ახლოს. მათ შეამჩნიეს, რომ სწორედ მაშინ, როდესაც ნიმუში ხდებოდა ზეგამტარი, ზედაპირთან ახლოს ველის განაწილება იწყებდა ზრდას, რაც ნაკადის მუდმივობის კანონიდან გამომდინარე, ნიშნავდა მხოლოდ ერთ რამეს – იწყებოდა მაგნიტური ველის ნიმუშიდან გამოდევნა. რაღაც კრიტიკულ მნიშვნელობაზე ძლიერი მაგნიტური ველის შემთხვევაში კი ხდებოდა ველის ნიმუშში შეღწევა და ზეგამტარული თვისების მთლიანად მოსპობა. მაისნერის ეფექტის სახელით ცნობილმა აღმოჩენამ სრულიად შეცვალა იქამდე არსებული წარმოდგენები ზეგამტარობაზე და დაარწმუნა ფიზიკოსები, რომ ზეგამტარი უფრო მეტია, ვიდრე “რაღაც ნივთიერება, რომელიც ხანდახან იდეალურად ატარებს დენს” – მაგინტური ველის გამოდევნის უნარი მისი განუყოფელი ნაწილია.

დანადგარის ცენტრში მოთავსებულია კალა, რომელიც თხევადი ჰელიუმით 1.6 კელვინამდეა გაციებული და იმყოფება ზეგამტარულ ფაზაში. გარეშე მაგნიტური ველის (80 გაუსი) ძალწირების ვიზუალიზაციისთვის ზეგამტარის გარშემო დაყენებულია პატარა კომპასები, რომლებიც გვიჩვენებს, რომ მაგნიტური ველი გარს უვლის ზეგამტარს. (წყარო)
მაისნერის ეფექტის დახმარებით შესაძლებელია ზეგამტარის მაგნიტურ ველში ლევიტაცია . (წყარო)

ამ  და ბევრი სხვა აღმოჩენის შემდეგ კიდევ მრავალი წელი გავიდა და ზეგამტარობის ფუნდამენტურ დონეზე ახსნის არაერთი მცდელობა ჩაიყარა წყალში. მიუხედავად ამისა, მაინც დაიწერა რამდენიმე ძალიან კარგად მომუშავე თეორია (კერძოდ, გინცბურგ-ლანდაუს თეორია1სხვათა შორის, ლანდაუს ლოგარითმული შკალა ჰქონდა, რომლითაც ფიზიკოსებს აფასებდა. ამბონენ, გინცბურგ-ლანდაუს თეორიის დაწერის შემდეგ საკუთარი თავი ნახევარი ნიშნულით აამაღლა.), რომლებიც ფანტასტიკურად ემთხვეოდა ექსპერიმენტულ შედეგებს და რამდენიმე სწორი წინასწარმეტყველებაც იყო. ცხადია, ამ ყველაფერში არაერთი ნობელის პრემია გაიცა.

ამ გენიალურ ნაშრომებს ვერაფერს დაუწუნებდი, გარდა იმისა, რომ თეორიები დამყარებული იყო მაკროსკოპულ მიდგომაზე. ეს მოდელები არ ითვალისწინებდა ნიმუშის შემადგენელი ატომებისა და ელექტრონების ურთიერთქმედებას და იმ წვრილ-წვრილ დეტალებს, რომლებიც ზეგამტარობის თვისებას აჩენდა (დაახლოებით ისევე, როგორც არ ვითვალისწინებთ აირში თითოეული ატომის ტრაექტორიას და ურთიერთქმედებას იმისათვის, რომ იდეალური აირის ცნობილი \(PV=Nk_BT \) განტოლება გამოვიყვანოთ). საჭირო იყო მიკროსკოპული თეორია, რომელიც გვაჩვენებდა, თუ როგორ და, რაც მთავარია, რატომ  ჩნდება ზეგამტარობა.

1950 წელს ემანუელ მაქსველმა (იმ  მაქსველმა არა, მეორემ) აღმოაჩინა, რომ ნიმუშის ნორმალურიდან ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლის კრიტიკული ტემპერატურა დამოკიდებული იყო იმ ატომის მასაზე, რომლითაც ნიმუში იყო აგებული. სიმარტივისათვის ისევ ვისაუბროთ ვერცხლისწყალზე – თუ გვაქვს ერთი ნიმუში, რომელიც აგებულია Hg(198) იზოტოპისაგან და მეორე ნიმუში, რომელიც Hg(200) (ორით მეტი ნეიტრონი ატომბირთვში) იზოტოპებისგან შედგება , მაშინ ამ ორი ნიმუშის კრიტიკული ტემპერატურა აუცილებლად იქნება განსხვავებული. “იზოტოპ-ეფექტმა” ფიზიკოსებს ძალიან სერიოზული მინიშნება მისცა იმაზე, რომ ნიმუშის კრისტალური მესრის გვარობა და მისი რხევები მნიშვნელოვან როლს თამაშობდა ზეგამტარობის ჩამოყალიბებაში.

ამ ყველაფერთან ერთად, ექსპერიმენტატორები ხედავდნენ, რომ გაუგებარი მიზეზების გამო, ზეგამტარულ მდგომარეობაში ელექტრული დენის გადამტანი ნაწილაკი ატარებდა ორი ელექტრონის მუხტს.

მარცხნიდან მარჯვნივ: ჯონ შრიფერი, ჯონ ბარდინი და ლიონ კუპერი. (წყარო)

1957 წელს ჯონ ბარდინმა, ჯონ შრიფერმა და ლიონ კუპერმა (ზოგს “The Big Bang Theory”-ს საყვარელი პერსონაჟი რომ გყავთ, შელდონი, მისთვის ტყუილად არ შეურჩევიათ კუპერი გვარად) გამოაქვეყნეს ლეგენდარული ნაშრომი “ზეგამტარობის BCS თეორია” (Bardeen-Cooper-Schrieffer), რომელიც მიკროსკოპულ დონეზე ხსნიდა ზეგამტარობის თვისების ჩამოყალიბებას. ექსპერიმენტულ შედეგებზე დაყრდნობით (იზოტოპ-ეფექტი, ორი ელექტრონის მუხტის მქონე დენის გადამტანი და ა.შ.) მიხვდნენ, რომ საქმე ჰქონდათ კოლექტიურ მოვლენასთან: ნიმუშის კრისტალის დეფორმაცია აჩენს მიზიდვის ძალას ორ ელექტრონს შორის. რა თქმა უნდა, ამ დეფორმაციით გაჩენილი მიზიდვის ძალა ძალიან სუსტია, მაგრამ საკმარისია იმისათვის, რომ ელექტრონებს შორის განმზიდავი კულონის ძალა დააბალანსოს და მივიღოთ ორი ელექტრონის ბმული მდგომარეობა – კუპერის წყვილი. კუპერის წყვილში ელექტრონებს შორის მანძილი რამდენიმე ასეული ნანომეტრიც კი შეიძლება იყოს ანუ ერთ ელექტრონს შეუძლია ბმულ მდგომარეობაში იყოს მეორე ელექტრონთან, რომელიც მისგან რამდენიმე ათასი ატომის მოშორებითაა.

კულონის მიზიდვის გამო კრისტალურ მესერში მოძრავი თავისუფალი ელექტრონი იწვევს ამავე მესრის ძალიან სუსტ დეფორმაციას. შედეგად ელექტრონი უკან მოიტოვებს დადებითი მუხტის სუსტ სიჭარბეს, რომელიც სხვა ელექტრონს იზიდავს. ამ მექანიზმით ხდება ორი ელექტრონისგან ერთი კუპერის წყვილის წარმოქმნა.

დამოუკიდებელი ელექტრონი წარმოადგენს ფერმიონს, რის გამოც პაულის პრინციპი მათ უკრძალავს ერთსა და იმავე კვანტურ მდგომარეობაში ყოფნას. კუპერის წყვილი შედგება ორი ფერმიონისაგან, ამიტომ ის წარმოადგენს ბოზონს, ბოზონებზე კი პაულის პრინციპი აღარ მოქმედებს. სწორედ ეს აძლევს სისტემას იმის საშუალებას, რომ წარმოუდგენლად დიდი რაოდენობით ჩამოყალიბებული კუპერის წყვილები განათავსოს ერთსა და იმავე კვანტურ მდგომარეობაში. ამ პროცესში მნიშვნელოვანი ისაა, რომ კუპერის წყვილში მყოფი ელექტრონისათვის ნიმუშის კრისტალური მესერი პრაქტიკულად უხილავია და მასზე გაბნევა არ ხდება, რაც ნორმალურ შემთხვევაში გამოიწვევდა არანულოვან წინაღობას.

1947 წელს შექმნილი პირველი ტრანზისტორი, რომლისთვისაც ჯონ ბარდინმა, ვილიამ შოკლიმ და ვოლტერ ბრიტენმა მიიღეს ნობელის პრემია (წყარო)

1956 წელს (BCS თეორიის გამოქვეყნებიდან 1 წლით ადრე!) ჯონ ბარდინი ნობელის პრემიით დააჯილდოვეს ტრანზისტორის შექმნისათვის. ბარდინმა ნობელის ცერემონიაზე სამი შვილიდან მხოლოდ ერთი წაიყვანა, რის გამოც შვედეთის მეფისგან შენიშვნა მიიღო. ნობელიანტმა არც აცია, არც აცხელა და შემდეგზე სამივეს წამოვიყვანო, მიუგო. BCS თეორიისათვის 1972 წელს სამივე ფიზიკოსს გადაეცა ნობელის პრემია. ცხადია ბარდინმა პირობა შეასრულა და ცერემონიაზე სამივე შვილით გამოცხადდა. ბარდინი ერთადერთი ადამიანია ორი ნობელის პრემიით ფიზიკაში.

რა თქმა უნდა, BCS თეორიაც არაა სრული და ამომწურავი, თუმცა ძალიან კარგად გვეხმარება ზეგამტარობის მოვლენის დეტალებამდე გაგებაში. როგორც თანამედროვე კვლევებიდან ჩანს, მაღალი კრიტიკული ტემპერატურის მქონე ზეგამტარებში ეს თვისება აბსოლუტურად სხვა მექანიზმით ჩნდება და BCS თეორია დიდ აცდენაშია ექსპერიმენტულ მონაცემებთან. სამწუხაროდ დღესაც უცნობია, ზუსტად რა პროცესების დახმარებით ჩნდება ზეგამტარობა 25 კელვინს ზემოთ და შესაძლებელია თუ არა ოთახის ტემპერატურაზე მომუშავე ზეგამტარის შექმნა, ამიტომ ჯერ ყველაფერი წინ გვაქვს!

მიხეილ ციციშვილი

კომენტარის დატოვება

თქვენი ელფოსტის მისამართი გამოქვეყნებული არ იყო. აუცილებელი ველები მონიშნულია *

Back to top