Füüsikapreemiast

Tänavuse Nobeli füüsikaauhinna määras Rootsi Kuninglik Teaduste Akadeemia teadlaskolmikule: vene füüsikutele Aleksei Abrikossovile ja Vitali Ginzburgile ning inglasele Anthony Leggettile. Abrikossov ja Leggett töötavad praegu Ameerika Ühendriikides. Preemia anti “teedrajavate panuste eest ülijuhtivuse ja ülivoolavuse teooriasse”. Tegemist siis kahe “ülinähtusega”.

Kui looduses on enamik asju määratletavad vaid umbkaudu, keskeltläbi, siis ülijuhtivus ning ülivoolavus kuuluvad harva esinevasse “absoluutsete“ nähtuste rühma, mida iseloomustavad kategoorilised näitajad: kas kõik või eimidagi. Ülijuhtivus seisneb aine elektritakistuse täielikus kadumises tema külmutamisel allapoole kriitilist lävitemperatuuri, mis on iga konkreetse ülijuhtaine puhul erinev. Ülivoolavus tähendab vedeliku sisehõõrdumise (teisisõnu – püdeluse ehk viskoossuse) täielikku kadumist allpool lävitemperatuuri.

Ülijuhtivuse avastas 1911. aastal Hollandi füüsik Heike Kamerlingh-Onnes, õieti tema doktorant Gilles Holst, kes leidis, et veeldatud heeliumisse (temperatuur 4 K ehk –269 °C) paigutatud elavhõbeda elektritakistus muutub mõõdetamatult väikeseks. Pahandanud doktorandiga täiesti ebausutavate tulemuste pärast, istus juhendaja ise aparaatide taha ning tema hämmastuseks leidsid õpilase mõõtmised korduvalt kinnitust. Muide, Kamerlingh-Onnese laboratoorium Leidenis oli tollal ainus koht maailmas, kus üldse oli võimalik ülijuhtivust avastada. Tema oligi see, kes 1908. aastal suutis esmakordselt heeliumi veeldada. Ja ega vedela heeliumita metalli ülijuhtivuseni ei jahuta. Heeliumi isotoobi 4He (aatomituumas 2 prootonit ja 2 neutronit) ülivoolavuse avastasid 1938 ühtaegu Vene füüsik Pjotr Kapitsa ja sõltumatult inglise füüsikud John Frank Allen ja Austin Donald Misener. Hoopis hiljem, 1970. aastate alguses täheldasid David Lee, Douglas Osheroff ja Robert Richardson heeliumi haruldase isotoobi 3He – “kerge heeliumi” – ülivoolavust. See ilmneb umbes 1000 korda madalamatel temperatuuridel kui 4He puhul. Isotoopi 3He, mille tuumas on üks neutron vähem kui 4He-l, on looduses 10 miljonit korda vähem tavaheeliumist 4He. Alles nüüdisaegne tuumatehnika võimaldab seda toota katseiks kõlblikes kogustes. Ülivoolav vedelik voolab anumast välja kui tahes peente avade kaudu, samuti üle anuma servade, otsekui keeks ta üle. Ülijuhtivust võib käsitada ka kui elektrongaasi ülivoolavust.

Ülijuhtivuse uurimine ning tehniline rakendamine sai uue hoo, kui Ðveitsi füüsikud Johannes Georg Bednorz ja Karl Alexander Müller avastasid 1986. aastal kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse, ning hoopiski mitte metallidel, vaid vaske, baariumi ja lantaani sisaldavatel keraamilistel plaadikestel. “Kõrgtemperatuurne” on siin üpris suhteline – vajalik temperatuur on ikkagi ülipakane, kuid siiski juba mõnikümmend kraadi üle absoluutnulli. Kõrgtemperatuursete ülijuhtide jahutamiseks võib kalli ja mõneti tülika vedela heeliumi asemel kasutada odavat ning hõlpsasti toodetavat vedelat lämmastikku (–196 °C), ja see on suur praktiline eelis.

Ülijuhtivus oli füüsikutele üllatav ja põnev nähtus, kuid ligi pool sajandit ei osanud keegi seletada, miks ja kuidas see tekib. Alles 1957. aastal näitasid ameeriklased John Bardeen, Leon Cooper ja Robert Schrieffer teoreetiliselt, et metalli takistus kaob tänu elektrivoolu kandvate elektronide “ühtehoidmisele”, kooskõlastatud elektronkollektiivi tekkele madalatel temperatuuridel. Süvajahtumisel hakkavad tavaliselt tõukuvad (samanimeline laeng!) elektronid kristallivõre võnkumiste kaasabil paaridesse hoidma (Cooperi paarid), need paarid erinevad nii suuresti üksikelektronidest, et suudavad elektriväljas takistuseta läbi metalli rännata, ja ülijuhtivus ongi käes.

Omaette peatükk on aga ülijuhi ja magnetvälja vastastikmõju. Puhtad ülijuhtmetallid, esimest tüüpi ülijuhid, tõrjuvad endast magnetvälja täielikult välja (Meissneri efekt). Kui aga magnetväli muutub kriitiliselt tugevaks, kaotavad nad ülijuhtivuse. Teist tüüpi ülijuhid (metallide sulamid, kõrgtemperatuursed ülijuhid) magnetvälja suhtes nii kategooriliselt ei käitu, nad lasevad endast välja täielikult või osaliselt läbi tungida. Ka on ülijuhtivust hävitavad kriitilised magnetväljad nende puhul sootuks tugevamad. Bardeeni, Cooperi ja Scriefferi teooria osutus siin abituks. Teist tüüpi ülijuhtide teooria lõi 1950. aastail Aleksei Abrikossov, ja see talle tänavuse Nobeli preemia tõigi. Tema näitas, et niisuguste ülijuhtide elektronkollektiivis tekivad mikroskoopilised keeristorukesed, mis ongi justkui magnetvälja läbi laskvateks juhtmeteks. Oma töödes lähtus ta teise tänavuse nobelisti, Vitali Ginzburgi ja nõukogude suurteoreetiku, Lev Landau (1908–1968) ühistest teoreetilistest uurimustest ülijuhtivuse ja magnetvälja seoste kohta. Sellest siis auhind ka Ginzburgile.

Kolmas tänavune füüsikanobelist Anthony Leggett pälvis maineka autasu kerge heeliumi, 3He ülivoolavuse teooria loomise eest. Kui Landau vormis tavaheeliumi ülivoolavuse teooria peatselt nähtuse katselise avastamise järel, siis kerge heeliumi korral osutus seletuse leidmine sootuks raskemaks. Leggett näitas, et 3He ülivoolavus tekib tänu selle isotoobi aatomite paardumisele, sarnaselt elektronide paardumisele ülijuhis.

On kindel, et tänavuste Nobeli füüsikapreemiate määramisel mõjutas otsustajaid ka ülijuhtivuse praktiliste rakenduste kasvav hulk. Näiteks kasutatakse praegu laialt füüsikalises uurimistöös ülijuhtsolenoidides (ülijuhtpoolide õõnsustes) tekkivaid võimsaid magnetvälju. Selleks on rakenduskõlblikud üksnes teist tüüpi ülijuhid, mida käsitlevadki tänavuste laureaatide teooriad. Eriti oluline on ülijuhtmagnetite rakendamine meditsiinis, magnetresonantstomograafias, näiteks ajukasvajate selgeks ja üheseks tuvastamiseks võimalikult varajases staadiumis.

Tähelepanuväärne on, et Nobeli auhinnaga pärjati tänavu, nagu küll korduvalt varemgi, üsna eakaid teadlasi nende aastakümneid tagasi tehtud uurimuste eest: Leggett on 65-aastane, Abrikossov – 75, Ginzburg koguni 87. Meenutagem, et Nobel määras oma testamendis, et auhind antakse noorteadlasele eelmise aasta silmapaistva töö eest, võimaldamaks tal uurimistööd jätkata…

Tuleks märkida sedagi, et valdav hulk teadlasi, keda siin seoses “ülinähtustega” on mainitud, on saanud Nobeli preemia juba varem. Ja lõpuks. Nii ülijuhtivus kui ka -voolavus on nähtused, mida pole üldse võimalik seletada kvantfüüsika seaduspärasusi rakendamata, ja kus mikromaailma valitsev kvantfüüsika jõuab välja makromaailma tasandile. Ometi on mõlemad nähtused mõõdetavad tavamõõtriistadega, ülivoolavus aga lausa silmaga vaadeldav.

HENN KÄÄMBRE (1935) on füüsika-matemaatikadoktor.