Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA, IČO: 26551772, ISSN: 1214-1674, Číslo 39 (vyšlo 27. září), ročník 2 (2004) (c) Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. Email: bulletin@aldebaran.cz

39/2004

David Břeň: Levitující femtokapičky

Supravodivost

Krátce poté, co se holandskému fyzikovi H. Kammerlingovi Onnesovi podařilo v roce 1911 zkapalnit hélium, objevil při studiu vlastností rtuti za nízkých teplot supravodivost. Při vyšších teplotách se elektrický odpor choval podobně jako u jiných kovů, tedy rostl. Při teplotě přibližně pod 4,2 K klesla jeho hodnota prakticky na nulu. V dalších letech byla supravodivost objevena u dalších zhruba třiceti prvků a u mnoha set sloučenin a slitin. Významné je také chování supravodičů v magnetickém poli. Kritická teplota T_C, tj. teplota, pod kterou se látka stává supravodivou, velmi závisí na vnějším magnetickém poli, které dokonce může supravodivý stav úplně zrušit. Při vyšších hodnotách pole kritická teplota T_C klesá. Supravodivost prvků lze zrušit relativně nízkým magnetickým polem, kdežto u slitin a sloučenin supravodivost existuje i do poměrně vysokých hodnot magnetického pole. Proto rozlišujeme supravodiče I. typu (prvky) a supravodiče II. typu (slitiny a sloučeniny).

Velmi zajímavou vlastností supravodičů je existence Meissnerova-Ochsenfeldova jevu. Podle něho je v supravodičích za každých okolností magnetická indukce nulová, jsou dokonale diamagnetické. Zatímco ale u supravodičů I. typu látka přechází skokem do normálního stavu při dosažení kritické hodnoty magnetického pole H_C, u supravodičů II. typu existuje interval magnetických polí (H_C1, H_C2), v němž má látka nulový měrný odpor, ale magnetická indukce ve vodiči již není nulová.

Chování supravodičů I. a II. typu v magnetickém poli, závislost magnetické
indukce B v supravodivém vzorku na magnetické intenzitě H.

Studium vlastností supravodičů II. typu ukázalo, že v intervalu polí (H_C1, H_C2) vniká magnetické pole do vzorku jen v určitých vláknech, která jsou v normálním stavu, a která jsou obklopena supravodivým prostředím, které způsobuje prakticky nulový elektrický odpor. Objem látky v supravodivém stavu se se vzrůstajícím polem zmenšuje, při dosažení hodnoty pole H_C2 se stane nulovým a elektrický odpor vzroste na normální hodnotu.

Velké naděje se vkládají do tzv. vysokoteplotních supravodičů. Zatímco klasické, nízkoteplotní, supravodiče jsou supravodivé při teplotách pod 23 K a musejí se proto chladit kapalným heliem, tzv. vysokoteplotní supravodiče mají kritické až 136 K, tedy nad teplotou kapalného dusíku (bod varu 77 K). Kapalný dusík je navíc relativně levná chladicí kapalina. Vysokoteplotní supravodiče jsou ale vesměs velmi křehké keramické materiály a technologie výroby vodičů z nich je náročná.

Magnetická levitace

Zajímavým příkladem aplikace supravodičů může být tzv. supravodivá levitace. Je to něco podobného, jako když vezmeme dva permanentní magnety a umístíme je shodnými póly nad sebe. Ten horní se v důsledku odpudivých sil vznáší nad tím spodním. Taková poloha je ale nestabilní a levitace magnetu by byla možná jen při zajištění vzájemné polohy magnetů nějakým vnějším zásahem, například umístěním do trubice, která by zabránila jejich otočení.

U supravodivé levitace je jedním z magnetů supravodič a druhým permanentní magnet. V každém materiálu, který vložíme do magnetického pole, se indukují vířivé stínící proudy, které se snaží odstínit vnější magnetické pole z objemu materiálu. Čím má materiál vyšší měrný odpor, tím větší teplo vířivé proudy v jednotkovém objemu produkují. V důsledku tepelných ztrát jsou pak tyto proudy utlumeny a magnetické pole pronikne do objemu materiálu. Supravodič má nulový měrný odpor, tepelné ztráty v něm jsou nulové a vložíme-li ho do magnetického pole, indukované stínící proudy na jeho povrchu se netlumí a vnější magnetické pole je uvnitř supravodiče dokonale odstíněno.

Grafit levitující na supravodivým magnetem. © I. Lyuksyutov, Univ. of Texas.

Při jakékoliv změně vnějšího magnetického pole, tedy nejen zvýšení, ale i snížení a dokonce i při změně orientace nebo rozložení, dojde k vybuzení stínících proudů na povrchu supravodiče, jejichž účinkem se supravodič snaží vykompenzovat danou změnu.

V důsledku toho, ať pohneme permanentním magnetem jakýmkoliv směrem, je magnet tažen zpět do své původní polohy. Visí tedy v jakési magnetické kapse, ze které není snadné uniknout. Je to pravý opak situace s dvěma permanentními magnety. Nejenže se může magnet vznášet nad supravodičem, ale stejně může i viset pod ním. Dokud je supravodič chlazen, je tento stav stálý. Vzájemná poloha magnetu a supravodiče je do té míry stabilní, že magnet unese i značnou zátěž.

O supravodivých setrvačnících, vlacích na magnetickém polštáři již bylo napsáno mnoho článků. Jaká je ale situace s malými objekty? Igor Lyuksyutov s kolegy z Texaské A&M univerzity postavili zařízení, které může ovládat síly působící na malé částečky a kapičky kapaliny s velmi vysokou přesností.

Magnetická levitace nastane, když je síla působící na diamagnetický objekt dostatečně silná, aby kompenzovala tíhu objektu. Lyuksyutov s kolegy nyní rozšířili tuto možnost na objekty velmi malých rozměrů, které jsou dány velikostí magnetické pasti.

Nové zařízení se sestává z dvou permanentních magnetů, 250 mikronů vysokých a 10 milimetrů širokých, oddělených od sebe navzájem asi 80 mikrony, které jsou namontované na ocelové destičce. Zařízení vytváří oblast nízkého magnetického pole (past) obklopenou oblastí vysokého magnetického pole. Protože energie diamagnetického objektu je úměrná velikosti magnetického pole, je pro objekt energeticky výhodné zůstávat v oblasti nízkého pole. Síla působící na objekt je úměrná gradientu hustoty energie, který je vysoký, protože hustota energie se mění na velmi malých vzdálenostech.

Zařízení pro levitaci femtokapiček. Dva permanentní magnety (zelené)
jsou na ocelovém substrátu (růžový). S kapičkou manipuluje pole
generované elektrodami (červené). © I. Lyuksyutov, Univ. of Texas.

Kapičky vytvářené v atomizéru jsou pozorované optickým mikroskopem. Texaští fyzici objevili, že mohou pohybovat, točit nebo dokonce sloučit kapičky pomocí elektrického nebo magnetického pole, a že jsou schopni ovládat potenciální energii kapičky na škálách zeptojoulů (10⁻²¹ J). Navíc mohou ovládat působící sílu na škálách femtonewtonů (10⁻¹⁵ N). Plovoucí částečka může být umístěna s přesností 300 nanometrů.

Vyvíjené zařízení může být užívané pro levitaci kapiček a krystalků z téměř každé neparamagnetické látky a dá úplně nové technologické možnosti manipulace s nimi. Nové zařízení bude schopné zacházet s kapičkami až miliardkrát menšími, než v konvenčních mikrokapalinových zařízeních a bude využitelné pro analýzu kapiček obsahujících řadu látek, včetně biologických buněk, bakterií a virů. Další aplikace zahrnují nové typy mikro a nanoelektromechanických systémů a experimenty s aerosoly a koloidy.

Manipulace s levitujícími femtokapičkami. © I. Lyuksyutov, Univ. of Texas.

Odkazy