Heike Kamerlingh Onnes, čovjek koji je otvorio vrata u svijet bez otpora: priča o superprovodljivosti

• Heike Kamerlingh Onnes je holandski  i nizozemski fizičar koji je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1913. godine za svoj rad na fizici niskih temperatura, u kojem je ukapljivao vodik i helij. Dana 10. jula 1908. godine dobio je svoj prvi uzorak tečnog helija, u količini od 60 cm³. Nakon nekoliko dana provjera, njegovo postignuće je objavljeno u The Times-u 20. jula 1908. godine.
• Iz svojih istraživanja otpornosti metala na niskim temperaturama otkrio je superprovodljivost (stanje u kojem neki metali gotovo nemaju električni otpor na temperaturama blizu apsolutne nule).

Rođen 21. septembra 1853. u nizozemskom gradu Groningenu, ovaj tihi eksperimentalni fizičar nije bio od onih koji se razmeću riječima. Umjesto toga, govorio je kroz termometre, pumpe i cijevi, kroz vakuum i led. A ono što je pronašao, duboko ispod nule, promijenilo je fiziku — i svijet — zauvijek.

Obrazovanje na prestižnim univerzitetima

Onnes je studirao u Groningenu i Heidelbergu, a od 1882. do 1923. predavao je eksperimentalnu fiziku na Univerzitetu u Leidenu.

Nakon srednje škole prvo je 1870. upisao jUniverzitet u Groningenu, sljedeće godine je stekao zvanje „candidaats“ a potom je studirao u Heidelbergu kod Bunsena i Kirchhoffa. Nakon toga se vratio u Groningen, gdje je 1878. položio „doctoraal“ ispit (otprilike magistarski stepen), a doktorat je stekao 1879. godine Kasnije je imenovan za profesora eksperimentalne fizike i meteorologije na Univerzitetu u Leidenu.

Tamo je osnovao jedan od prvih laboratorija za kriogeniku u svijetu, prostoriju gdje je nauka ohladila materiju do gotovo apsolutne nule — granice na kojoj prestaje svaki  atomsko i molekularno kretanje, a iznosi 0 K, odnosno −273,15 °C .

Zgrada Univerziteta u Leidenu gdje je Onnes provodio eksperimente. U sredini ispred zgrade nalazi se njegova bista. Čitajte dalje šta da vidite šta piše ispod njega

Čudo nestanka otpora i supervprovodljivost

No, ono što je otkrio 1911. nije bilo samo „hladno”, već radikalno.

Onnes je tada prvi put upotrijebio tečni helij, koji je sam uspio ukapljiti tri godine ranije, 1908. godine — i to kao prvi čovjek na svijetu. Time je spustio temperaturu eksperimentalnih uzoraka na svega 1,5 kelvina (nešto iznad apsolutne nule), čime je oborio tadašnji svjetski rekord u postizanju najniže temperature na Zemlji.

I baš tada, kad je kroz žicu od žive pustio električnu struju, dogodilo se nešto potpuno neočekivano.

Otpor je nestao.

Doslovno. Električna struja je tekla bez ikakvog otpora. Nema zagrijavanja, nema gubitka energije. Samo čista, neometana struja. Onnes je upravo otkrio superprovodljivost — čudno i moćno svojstvo materijala koji, kad se ohlade ispod određene kritične temperature, gube sav električni otpor.

Hajde da probamo razumjeti šta je superprovodljivost ili supervodljivost. Možda je lakše razumjeti kada razumijemo šta je to suprotno. Šta je to otpor.

U većini slučajeva, kada električna struja teče kroz metalnu žicu, žica se barem malo zagrijava. Ponekad se čak i jako zagrije. Eleltrični uređaji koje koristimo dugo vremena se zagriju. To je zato što žica ima određeni otpor protoku električne energije kroz nju. Budući da je elektronima teško proći kroz žicu, velik dio njihove energije pretvara se u toplinu, uzrokujući zagrijavanje žice. Oslanjamo se na taj efekatkako bismo zagrijali uređaje poput tostera, električnih grijača, štednjaka i pegli. Međutim, to može biti loše kada žice prenose električnu energiju na velike udaljenosti ili kada su unutar zidova vašeg doma. Tamo, ako se previše zagriju, vaša kuća bi se mogla zapaliti. Također, puno energije se gubi zbog električnog otpora u ožičenju, u dalekovodima. Električni otpor raste s porastom temperature. Ali šta se događa ako se materijal hladi?

Dakle, Onnes je otkrio da kada se materijali hlade, otpor se smanjuje, a na jako niskim temperaturama, bliskim apsolutnoj nuli, otpor postaje zanemariv. Kada materijal postane superprovodljiv, elektroni se kreću bez gubitka energije — za razliku od običnih materijala, gdje se dio energije uvek gubi kao toplota zbog otpora.

Onnes nije odmah razumio puni značaj ovog otkrića, ali je znao da je to nova faza materije, nova igra pravila. „Superprovodljivo stanje”, zapisao je u dnevnik laboratorija, „djelovalo je gotovo magično”.

I danas, više od jednog vijeka kasnije, još uvijek pokušavamo u potpunosti objasniti zašto materijali postaju superprovodnici. U najjednostavnijim crtama, elektroni se u tom stanju kreću kroz kristalnu rešetku materijala bez ikakvog rasipanja energije — zahvaljujući formiranju tzv. Cooperovih parova, koncept koji su teorijski razjasnili tek 1957. godine (BCS teorija iz 1957, dobila je naziv po početnim slovima fizičara koji su je formirali – Bardeen, Cooper i Schrieffer ).

Za svoje pionirsko istraživanje niskih temperatura, Onnes je 1913. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku. No, upravo je otkriće superprovodljivosti njegovo pravo nasljeđe — i most prema tehnologijama budućnosti.

Superprovodljivost: primjena, prevare i perspektive

Danas, superprovodljivost više nije laboratorijska egzotika. Njeni otisci su svuda oko nas, iako često nevidljivi. Magnetna rezonanca (MRI) — tehnologija koja svakodnevno spašava živote — ne bi bila moguća bez superprovodnika. Oni omogućuju snažna magnetska polja potrebna za skeniranje ljudskog tijela. Superprovodnici se koriste i u česticama akceleratorima poput CERN-a, u naprednim sistemima za prenos električne energije, pa čak i u razvoju kvantnih računara.

Najveći izazov? Većina superprovodnika i dalje radi samo na ekstremno niskim temperaturama, blizu onih koje je Onnes postizao pomoću tečnog helijuma. Naučnici već decenijama tragaju za tzv. „superprovodnikom na sobnoj temperaturi” — Svetim gralom moderne fizike. Pojedini materijali su nedavno pokazali takva svojstva pod ogromnim pritiskom, ali smo još daleko od praktične primjene. Naučni radovi koji su tvrdili da su ovo postigli su bili izloženi rigoroznim provjerama i došlo je do otkrića da se radi o naučnom nepoštenju.

Ranga Dias  je 2023. tvrdio da je otkrio supraprovodljivost na sobnoj temperaturi, ali rad je kasnije povučen. Istraga Natureovog novinarskog tima otkriva nove detalje o tome što se dogodilo – i kako su institucije propustile crvene zastavice.

Bista Heike Kamerlingh Onnes, ispred jedne od zgrada Univerziteta u Leidenu, zgrade u kojoj je on vršio eksperimente. Na bisti piše njegova izreka “Mjeriti da bismo znali”

Heike Kamerlingh Onnes umro je 21. februara 1926. godine, ali je ostavio naslijeđe koje i danas vodi nauku u neistražena područja. Njegov moto bio je jednostavan, gotovo spartanski: „Door meten tot weten” — „Mjeriti, da bismo znali.” U svijetu prepunom nagađanja i teorija, Onnes je bio čovjek koji je vjerovao samo u ono što se može izmjeriti — pa makar to značilo rashladiti čitav svemir u epruveti.

U doba kada svijet traga za održivim rješenjima, superprovodljivost nam nudi pogled u budućnost u kojoj energija teče bez gubitaka. A sve je počelo jedne hladne noći u Leidenu, kada je živa, umjesto da se odupre, jednostavno — pustila struju da prođe.

Reference:

1. Članak iz Scientific American iz 1912. o otkriću Onnesa i hlađenju vodika.
2. Nobel prize

The post Heike Kamerlingh Onnes, čovjek koji je otvorio vrata u svijet bez otpora: priča o superprovodljivosti appeared first on Nauka govori.