Kvantefysikk og teknologi: Historia om superleiaren

P2-Akademiet, 06.08.1994

Etter tittelen å døme kan dette bli tungt stoff. Ord som kvantefysikk og superleiar er ikkje daglegdagse i norsk vokabular. Men eg lovar å ta det heile i små porsjonar, og trur at du vil kunne ha utbytte av å følgje med.

Først litt om begrepet kvantefysikk. Ordet har sitt utspring i studiet av den atomære verda.. Og her vil du seie at atomet har du ikkje greie på, så her kjem vi ikkje lenger. Men gje meg nå ein sjanse til først å ta deg med på ein liten visitt i atomet si verd, dette landskapet som synest så utilgjengeleg for våre direkte sanseopplevingar. Den første tanken du må venje deg til, er at det gjeld andre lover i det atomære landskapet enn i den daglegdagse verda. Du kan utan vanske fortelje presist og klårt kvar stolar, bord, radio, TV osv. står i stova di, og kor lenge dei har stått der. Slik er det ikkje i atomet. Der kan vi berre rekne ut sannsynlegheita for at eit elektron til dømes fins på ein bestemt plass i rommet. Du ville nok like svært dårleg å leve i denne kvanteverda, der du berre kunne seie at det t.d. er, la os seie, 23 % sjanse for at godstolen står der du helst vil ha den. Ja, for så rar er den atomære verda, eller kvanteverda som eg og vil kalle den, av grunnar som eg skal komme tilbake til. Vi kan altså ikkje seie presist når eit elektron i atomet vil vere på ein bestemt plass, berre kor sannsynleg det er at det vil vere der. Det er som eit lotteri!

Albert Einstein lika ikkje dette. Han sa: "Gud spelar ikkje med terningar". Men så vidt vi veit tok han feil der.

Det vil nå vere naturleg å stille seg dette spørsmålet: Går det an å få presis innsikt i ei slik merkeleg verd, og forutseie kva som vil hende? Ja overraskande nok er det utvikla gode teoretiske og eksperimentelle verktøy for dette. Arbeidet starta akkurat i året 1900. Kvantefysikken høyrer altså så definitivt det 20. århundre til. Det er namn som tyskaren Max Planck, sveitsaren Albert Einstein, Dansken Niels Bohr, tyskaren Werner Heisenberg, austerrikaren Erwin Schrödinger, og mange etter desse som utvikla vår forståing av kvantefysikken.

Kvifor kallar vi så fysikken på det atomære plan for kvantefysikk? Dette kjem av at lovene som gjeld i atomet er knytta så sterkt til det vi kan kalle ei diskretisering av fysiske størrelsar som energi, elektrisk ladning, masse, dreieimpuls. Med dette meiner vi at desse størrelsane opptrer i heilt bestemte minste mengder eller einingar. Desse kallar vi kvantar, eller kvantiserte størrelsar. Dermed også namnet kvantefysikk.

Så vil du naturlegvis spørje om du nokon gong har observert eit fenomen som kan tilskrivast kvantefysikkens lover? Javisst! Alt lys du ser omkring deg er blitt til ved kvantefysiske prosessar i atomet. Det som skjer, er at atomet kan vere i ulike slike diskrete tilstandar, eller kvantetilstandar. Når atomet endrar tilstand, så betyr det oftast at det endrar energi. Om atomet er å finne i eit sterkt oppvarma stoff, som til dømes i i glødetråden i ei elektrisk lyspære, eller i varme gassar nær sola, vil atomet stadig vekk endre energi ved energiutveksling med omgivelsane. Kvar gong atomet endrar energi til lågare tilstand, sender det ut lys, eit lyskvant kallar vi det. Og dette er lyset su ser. Mesteparten av lyset vi opplever ute i naturen er skapt nær overflata av sola. Dette lyset får vi gratis. Ikkje slik når skal skaffe deg elektrisk lys. Da tar vi i bruk den teknologien som amerikanaren Thomas Alva Edison først utvikla for noko over 100 år sidan, nemleg å sende elektrisk straum gjennom eit .tynn tråd av elektrisk leiande material, som difor blir sterkt oppvarma. Dermed tilfører vi atoma i tråden energi som dei så sender ut, som lyskvantar. Atomet lyser berre akkurat medan det endrar enegi. Vårt auge kan ikkje sjå at det er korte lysglimt eller energikvantar som kjem fordi lysglimta er så ekstremt korte, og fordi det kjem så mange av dei at det heile ser ut som eit jamnt lys som er der heile tida.

Når vi kan sende ein elektrisk straum gjennom til dømes ei glødelampe, kjem det av at elektriske ladningar er frigjorde frå det enkelte atom i metallet og kan flytte seg fritt omkring. Når vi slår på brytaren, betyr det at vi koplar inn spenningen som får dei negativt lada elektrona til å flyte gjennom glødetråden. Det same skjer i ein varmeomn, berre ved lågare temperatur, og difor ved mindre gløding. Begge stader fører straumen til oppvarming. Det er altså ein regel at elektrisk straum fører til oppvarming. Dette ynskjer vi både i lyspæra og i varmeomnen. Men kva med elektriske leidningar elles i huset. Blir ikkje dei og oppvarma? Jau, det blir dei! Dette er ikkje så ille inne i hus der vi i alle fall treng oppvarming. Men ute i kraftnettet fører det til veldige tap av energi.

Faktum er at det samla t apet av energi i det norske elektriske kraftnettet utgjer like mykje som den totale produksjonen i eit av våre aller største kraftverk, Sira-Kvina. Dette er uhorvelege mengder energi å sløse bort. Og tapet blir naturleg nok større di lenger avstandene er.

Fins det så ingen måte å bli kvitt slike energitap på?

Jau, det gjer det faktisk. Og nå kjem vi til eit tema som kanskje meir enn noko anna har fascinert meg som fysikar og forskar: Fenomenet superleiing". Mange veit nok at kopar og aluminium er gode elektriske leiarar, dvs. at dei yter relativt liten motstand mot elektrisk straumtransport. Dette sparer energi og er difor viktig økonomisk. Men svært få veit at om vi kjøler vanleg kjende metall som aluminium, bly, tinn osv. ned mot det absolutte nullpunkt på temperaturskalaen, dvs. ned mot - 273ºC, så får desse velkjende materiala heilt nye og merkelege eigenskapar.

For det første tar dei brått til å leie elektrisk straum heilt utan motstand, dvs. utan forbruk av energi, når dei kjem under ein viss temperatur.

For det andre støyter dei heilt ut eit ytre pålagt magnetfelt, opp til ein viss øvre feltstyrke.

Material som oppviser begge desse eigenskapane under ein viss såkalla kritisk temperatur, kallar vi superkonduktive, eller superleiande material, pga. den fabelaktige evnen dei har til å leie elektrisk straum.

Men i våre dagar er det så mangt som blir sagt å vere "supert". Kor "supert" er nå dette? Eg skal nemne to døme: Nøyaktige målingar har vist at om vi lagar ein tråd av eit superleiande metall, kjøler det ned, og genererer ein elektrisk straum i ei lukka sløyfe av tråden, så vil straumen kunne gå ikkje berre eit sekund, eit minutt eller ein dag, men i bortimot 1 million år. I kopar vil straumen berre gå i ein brøkdel av eit sekund fordi motstanden i tråden "forbrukar" straumen kan vi seie. I ein straumstyrke på ca. 6 amper ved 220 volt, før den tar til å gå varm pga. energitapet som motstanden i tråden medfører. Dette kan vi samanlikne med følgjande:

I høgkvalitets superleiande material kan ein i dag nærme seg ein straumstyrke på 1 million ampere i ein tråd med eit tverrsnitt på 1 mm², allså bortimot 100 000 gonger større straumstyrke enn i beste koppar! Ikkje rart at fenomenet fascinerer mange av oss!

Kva så med det eg nemnde om at magnetfelt blir kasta ut av superleiaren? Korleis ser vi det reint praktisk?

Jau, let vi ein bit av metallet, t.d. bly eller aluminium ligge på ein magnet og kjøler under den temperatur der metallet blir superleiande, så løfter metallet seg og svever over magneten! Også dette eit forbløffande fenomen! Ein kvar som har hatt ein magnet i handa, veit at slik oppfører korkje bly eller aluminium seg ved vanleg temperatur. Tvert imot vil ein i dagleg omgang med desse materiala ikkje oppdage nokon påverknad av magnetfeltet i det heile. At magneten tiltrekkjer seg jarn, er ei helt anna historie som vi ikkje tar opp her.

Med desse eksempla har eg antyda kva to grunnleggande og overraskande eigenskapar superleiarane har. Eg har også påpeikt at det i mange tilfelle er heilt daglegdagse material som har desse "science fiction"-liknande eigenskapane.

Det eksisterer i dag viktige teknologiar basert på bruk av superleiande eigenskapar i metall. Dette skal vi kome attende til.

Men inntil for nokre år sidan var det stort sett berre fysikarane som visste om, og hadde grundig kunnskap om desse fenomena. Kvifor?

Jau årsaka låg i det faktum at ein måtte kjøle ned mot det absolutte nullpunktet i temperatur, heilt spesielle laboratorie-termosflasker, og ved bruk av den sjeldne edelgassen helium som kjølevæske, Denne gassen kondenserer først ved - 269ºC. Dette gjorde det heile til eit nokså eksotisk fenomen. Kunnskap om eit slikt fenomen hadde ikkje lett for å nå ut til dei store massane.

Ikkje før Alex Müller og Georg Bednorz ved IBM laboratoriet i Zurich våren 1986 gjorde den revolusjonerande oppdaginga av eit nytt stoff, La-Ba-Cu-O som "berre" trengde kjøling til - 240ºC. Deretter følgde oppdaginga i USA, Japan og Kina av andre material som YBA₂Cu₃O₇ som blir superleiande ved kjøling i flytande nitrogen, dvs. – 196ºC. Dette var den store sensasjonen som gjekk gjennom media verda over.

Også - 196ºC høyrest rett nok svært kaldt ut. Men poenget er at flytande nitrogen er billeg å framstille, råstoffet er gratis, det utgjer jo 78 % av den lufta vi pustar i, og kjøleteknikken er mykje enklare enn ved bruk av helium.

Kanskje kunne vi nå òg vone at det kunne produserast material som er superleiande ved romtemperatur, slik at kjøling er heilt unødvendig? Ei enorm interesse for superleiing oppstod over heile verda, og eit intenst kappløp vart sett i gang straks desse resultata vart kjende.

Det avgjørande gjennom brotet, da – 196ºC vart passer, kom tidleg i mars 1987. Eit par dagar etter tok eg og forskargruppa mi ved NTH avgjerda om å avvikle våre dåverande prosjekt og gå inn i feltet. Kort etter hadde vi i samarbeid med Institutt for uorganisk kjemi framstilt vår første såkalla høgtemperatur superleiar. Like etter la vi fram data på ein stor kongress i Italia, og resultata vart skrivne saman til ein publikasjon i samarbeid med dei to oppdagarane Müller og Bednorz. Då hadde eg først møtt Alex Müller, og vi var blitt einige om tolkninga av data. Eg synest det er spesielt morosamt å nemne at ein fysikkstudent i 4. klasse på NTH fekk vere med som medforfattar på dette første arbeidet . Same haust fekk Müller og Bednorz Nobelprisen. Ikkje mange studentar har opplevd å ha ein internasjonal publikasjon saman med nobelprisvinnaren, og det til og med same året som prisen blir delt ut!.

Når vi først snakkar om tidlegare NTH-studentar, bør Ivar Giævers namn vere nemnt, nordmannen som fell nobelpris for sitt legendariske tunneleksperiment i superleiar, utført 1960. Denne fascinerande historia må eg likevel la ligge i dag. Når vi kunne gå så fort inn i dette feltet, kom det av at eg hadde fleire års erfaring frå superleiar-fysikk på 60-70-talet. Plutseleg hadde eg bruk for et eg lærde den gongen og mykje meir. Det gode samarbeidet eg hadde hatt med Alex Müller gjennom 20 års tid, rett nok på andre område, var òg viktig. Vi hadde altså beredskapen i orden. Utan det ville vi ikkje våga å delta i dette kappløpet.

Til all lukke var klimaet i Norge innan forsking på denne tida blitt så pass bra at det var mogleg å finansiere ein anstendig innsats. Snart hadde vi i sving ein heilt ny konstellasjon av fysikarar og kjemikarar, og elektro-folk, Samstundes knytta vi mange nye kontakter utanlands.

Ved utgangen av 1995 vil det vere avlagd i alt 13 doktorgrader ved NTH som resultat av det initiativet vi tok i 1987. Og vi er så absolutt synlege internasjonalt

Men ennå er det to viktige spørsmål eg gjerne vil ta opp: For det første: Korleis starta den opprinnelege superleiarforskinga? For det andre: Desse fantastiske eigenskapane må kunne nyttast til noko. Til kva?

For å svare på det første spørsmålet, må vi attende til kvantefysikken som eg snakka om tidlegare. Og historisk må vi igjen tilbake til byrjinga på vårt århundre. Forståing av superleiing er umogeleg utan gjennom kvantefysikken. Det var altså i året Max Planck viste at energi kjem i minste kvantar. Men først rundt 1925 med arbeid av Schrödinger og Heisenberg vart kvantefysikken formulert i såpass generell form at den fekk almen gyldigheit på det atomære planet.

I denne brytingstida arbeidde ein professor Heike Kamerligh Onnes i sitt laboratorium i Leyden i Nederland. I 1908 klarte han å kondensere edelgassen helium som eg omtala tidlegare, og kunne med det oppnå ca. - 272ºC, dvs. ca. 1 grad over det absolutte nullpunktet.

Kamerlingh Onnes ville bruke denne kjølevæska som eit "kuldereservoar" til å studere elektrisk leiingsevne og motstand i metall ved låge temperaturar. Han valde kvikksølv først, fordi han kunne få det svært reint. Kvikksølv frys som kjent ved - 39ºC, og er ved vidare kjøling likt med eit vanleg metall. I dette metallet oppdaga så Kamerlingh Onnes superkonduktivitet, dvs. at all elektrisk motstand forsvann, ved 4 K, eller ca. - 269ºC. året var 1911.

Ennå var ikkje kvantefysikken utvikla, og det heile var sjølvsagt eit stort mysterium. Men sjølv etter at kvantefysikken hadde funne ein moden form, rundt 1925, tok det ennå 30 år før dei amarikanske fysikarane Bardeen, Cooper og Schrieffer i åra 1955-57 utforma den berømte kvantefysiske teorien, den såkalla BCS-teorien, for superleiing. Superleiing var altså verkeleg vanskeleg å forstå!

Essensen av det heile viste seg å vere at to og to av dei frie elektrona som kvart atom gir frå seg til heile metallet, og som er bærarar av elektrisk straum, ved eit fint vekselspel med ionane i stoffet går inn i ein svakt bunden tilstand. Desse såkalla Cooper-para leier så straumen utan motstand.

Det var nettopp denne bindingsenergien Ivar Giæver målte på ein slik elegant måte i 1960.

Det heile minner om det som skjer i eit enkelt atom der elektrona under påverknad av det elektriske feltet frå kjernen, og frå kvarandre, går inn i bundne tilstander med diskrete energinivå. Eit avgjerande poeng er at eit molekyl og eit atom kan eksistere i stasjonære tilstandar, der ladningane rett nok er i stor rørsle heile tida, men utan å forbruke eller ta imot energi. Dette er ein kvantefysisk tilstand som ikkje forekjem i klassisk fysikk, dvs. i den typen fysikk som var forstått før året 1900. Men på det atomære nivået gjeld kvantefysikkens lover, og der er det lov å ha slik rørsle utan forbruk av energi.

Superleiing, eller superkonduktivitet, er eit fenomen i same klasse, bortsett frå at det nå er ein eigenskap som viser seg på stor skala, til dømes i kilometerlange trådar eller kablar. Det er som om heile metalltråden vår spelar rolla som eitt gigantisk atom eller molekyl der eit perfekt vekselspel mellom partiklane føregår. Og slik vil det vere same kor lang tråd vi lagar. Dei rare tilhøve som vi elles kjenner berre frå atomet si verd blir her synlege på vår menneskelege skala, og vi synest då at fenomenet er forunderleg. Det stemmer slett ikkje med våre vanlege røynsler!

Den berømte BCS-teorien gjev detaljerte opplysningar om kva eigenskapar vi kan vente oss av ein superleiar, og desse har vist seg å vere korrekte og pålitelege, inntil dei nye materiala kom i 1986.

Mange meiner at vi i desse nye materiala har fått ein heilt ny type kvantefysisk system. Tida får vise! Etter Kamerlingh Onnes si oppdaging gjekk det 45 år før teorien kom. Det vil nok gå raskare nå.

Også på den teoretiske sida deltar NTH-forskarane aktivt. Utviklinga går i alle fall sin gang. Fleire nye viktige oppdagingar er gjorde. Sidan Nobel-pris oppdaginga i 1986 er det hittil funne ca. 70 ulike variantar av dei nye materiala. Den superleiande temperaturen har nå kome opp i ca. 85 grader over kokepunktet for nitrogen dvs. -110ºC. Dette er sjølvsagt lovande for anvendelsane. Og snakk om forskjell frå ca. 270ºC! Det tar jo mest til å bli varmt! Og dermed er eg komen fram til det siste punktet eg vil berøre:

Kva blir superleiarane brukte til? Og kva er problema ein støyter på i den samanhengen? Her får eg berre plass til eit par eksempel.

La oss først sjå på bruken i magnetar.

På 1960-talet vart det utvikla gode superleiande laboratoriemagnetar som var dei konvensjonelle elektromagnetane heilt overlegne. Problemet i ein konvensjonell elektromagnet er nettopp å bli kvitt varmen som utviklar seg i spolane p.g.a. motstanden i metalltrådane. Her kjem altså superleiaren inn med sine vidunderlege eigenskapar:

Null elektrisk motstand i stasjonær operasjon

I staden for å gjere som i ein konvensjonell elektromagnet der ein heile tida må pøse på med stor straumstyrke frå kraftnettet, og bruke ei lita elv til kjølevatn, er superleiande magnetar mykje enklare å ha med å gjere: Ein "ladar" opp dei straumførande leidningane i spolen med ein kraftig straum. Deretter koplar ein frå straumkjelda, og nå held straumen fram å gå så lenge systemet er nedkjølt!

Ein slik kraftig magnet tar opp eit volum som er ein liten brøkdel av den tradisjonelle elektromagneten samtidig som den kan levere opptil 10-20 gonger så kraftig felt. Og forbrukar nær sagt null elektrisk energi i stasjonær operasjon. Kjøling får den ved å stå neddykka i flytande helium.

Slike magnetar har fullstendig utkonkurrert konvensjonelle elektrtomagnetar i laboratoriebruk. Finn vi så slik teknologi i bruk i Norge? Ja ved Institutt for fysikk ved NTH har vi fleire av desse magnetane i bruk, om enn ikkje så sterke. Her gjeld det høgpresisjonsfelt som trengs for å lage skarpe avbildingar om kroppens indre. Og til molekylspektroskopiske studier. Ja, Trondheim har her eit av dei beste utstyrte såkalla MR-sentra i verda, basert på bruk av mellom anna superleiar-teknologi.

Lite anar folk som legg seg inn i desse MR.maskinane ved sjukehusa våre at dei ligge i ein superleiande magnet der spolane er nedkjølte til -269ºC!

Superleiarteknologien har her vore avgjerande for å utvikle det fantastiske instrument som eit magnetisk resonans avbildingssystem er i dag. Tre veletablerte fysikk-disipliner møtest her:

Magnetisk resonans. Datamaskinen. Superkonduktivitet.

Alle desse teknologiane er produkt av fysikken, ja av kvantefysikk. Og alle var nødvendige for å lage ein MR-maskin. Det var først kring 1980 alle desse teknologiane var tilstrekkeleg utvikla til at dei kunne kombinerast til eitt felles føremål i MR-maskinen.

Om marknaden for superleiande magnetar nemner eg at ein berre til magnetar for MR-bruk, som rett nok er det største for superleiarteknologi i dag, reknar med ein omsetnad på ca. 3 milliardar kroner pr. år i USA årleg.

I den andre enden av storleikspekteret finn vi t.d. ein høgt utvikla teknologi for måling av ørsmå magnetfelt skapte i menneskekroppen. Desse såkalla superleiande sensorane blir mellom anna òg bruka i medisinens teneste.

Vi kjenner vel alle til ELG: Elektrokardiogram, basert på analyse av elektriske signal frå hjartet. Med superleiande sensorar blir både magnetiske kardiogram og kartlegging av sjuke områder i hjernen nå utført med svært følsomme superleiande magnetdetektorar. Ja ein kan til og med måle kvar i hjernen vi kontrollerer fingerrørsle osv.

Av andre områder der superleiaren har eit potensiale for teknologisk utnytting finst det lange lister. Nokre døme er:

• Elektrisk kraftoverføring
• Energilagring
• Transformatorar
• Datamaskinar
• Antennesystem
• Propellfri framdrift av skip
• Svevande, eller leviterande tog

Det vil si i kvart einskild tilfelle vere økonomien som avgjør om ein mogeleg teknologi skal takast i prakatisk bruk.

Det kunne ha vore interessant å gå nærmare inn på fleire av desse. Men la meg berre kort kommentere eitt tema, nemleg leviterande tog. Dvs. tog som svevar over skinnegangen i ein faart på over 500 kilometer i timen. Dette svarar til å tilbakelegge strekningen Trondheim-Oslo på ein time! Science fiction igjen seier du? Nei, dette er realistisk utvikling i dag. I Japan har ein alt hatt eit slikt tog i eksperimentell prøvedrift i fleire år. Eit kraftig magnetfelt i botnen av toget vil, når toget kjem opp i fart, gje opphav til straumar i skinnegangen som skapar så sterkt fråstøytande magnetfelt at toget løfter seg opp og verkeleg svevar bortover! Til framdrift brukar ein elektromagnetiske pådriv. Eit tog som skal gå i 500 km/t må sveve 10 cm ovver skinnegangen av sikkerheitsgrunnar. Dermed må vi bruke superleiar for å oppnå høgt nok magnetfelt. Noko for Norges Statsbaner vil du kanskje seie? Trafikkgrunnlaget er nok for lite til at ei slik investering vil svare seg i vårt land med det første. Men tida får vise.

Eit konkret døme på den interessen dette feltet har vekt i Japan, er det faktum at dei i 1988 opna eit nytt internasjonalt senter for superleiarforsking i Tokyo med 100 forskarar. Finansieringa av dette kjem hovudsakleg frå Japansk industri. Eg har sjølv vore invitert som forskar ved dette laboratoriet i nokre månader.

La meg konkludere: Dei "gamle" superleiarane er i dag i vidstrakt bruk. Tida vil vise kva dei nye blir gode for. Men dei av oss som arbeider med dei, må i alle fall ha eit felles motto: Vi må tru på at løysingar skal finnast! Og i mellomtida kan eg garantere at mykje spennande naturvitskap er blitt, og vil bli utførd!