Fysik: I kylan kapitulerar motståndet

Livet bjuder ständigt motstånd. På marken, i luften eller i vatten motverkar friktion varje rörelse. Därför är det märkligt när motståndet plötsligt upphör. Besynnerliga fenomen uppstår – kvantfysiken som annars verkar bara i det lilla blir plötsligt synlig.

Så blir det exempelvis när elektrisk ström lyckas ta sig genom ledningarna utan motstånd eller när heliumvätska plötsligt börjar flyta helt fritt och tar sig uppför skålens väggar. Fenomenet fick sin förklaring i teorier som årets Nobelpristagare i fysik belönas för: ryssen Vitalij L. Ginzburg, hans yngre kollega Alexej A. Abrikosov, numera bosatt i USA, och Anthony J. Leggett, engelsman som också verkar i USA. De har enligt Kungl. Vetenskapsakademien gjort ”banbrytande insatser inom teorin för supraledare och supravätskor”.

Supraledarna används redan

Själva supraledningsfenomenet är känt sedan i början av förra århundradet. Då upptäckte holländaren Heike Kamerlingh-Onnes material som leder ström utan motstånd, och namnet supraledare är hans påfund. I en sådan kan elström flyta runt i all evighet, inget kommer att gå förlorat under färden.

Det tog nästan ett halvt sekel innan ryssarna Lev Landau och Vitalij Ginzburg fann de rätta ekvationerna som beskriver detta elektriska perpetuum mobile. Teorin förklarade dock inte på mikronivån vad som egentligen försiggår inuti en supraledare. Detta fick i stället sin förklaring några år senare i den med Nobelpris belönade teorin om elektronpar (John Bardeen, Leon Cooper och Robert Schrieffer fick priset 1972). Men Landaus och Ginzburgs beräkningar visade sig oerhört användbara för att skapa nya supraledande material.

Bara några år senare, 1957, kunde Alexej Abrikosov, på den tiden elev till Lev Landau vid Kapitsainstitutet i Moskva, utnyttja kollegernas teori för att beskriva en annan sorts supraledare, kallad typ-2. Detta innebar ett genombrott för de supraledare vars mirakulösa egenskaper inte försvinner i starka magnetfält, något som drabbade de först kända supraledande materialen.

I och med detta startade supraledarnas karriär som spolar i elektromagneter. Överallt där starka magnetfält behövs sätts supraledare i arbete: i acceleratorer för att hålla partiklar i bana, i sjukhusens kärn- och magnetresonanskameror (se årets Nobelpris i medicin).

Fungerar inte i värmen

Länge behövde man kyla supraledare med flytande helium till -269 °C, bara 4 grader över den absoluta nollpunkten. Det är krävande och dyrt. Därför har man sökt efter andra material som kan behålla sina egenskaper även vid högre temperaturer. Genombrottet kom i mitten av 1980-talet då två IBM-forskare i Schweiz lyckades ta fram en legering av keramer och koppar som är supraledande vid högre temperaturer. Den kunde då kylas med flytande kväve, ett både billigare och mer lätthanterligt kylmedel vars kokpunkt ligger vid -196 °C.

Under de senaste tio åren har de i år belönade teorierna utnyttjats allt flitigare. De används som recept för att skapa nya supraledande material med förhoppning om att dessa kan behålla sina märkvärdiga egenskaper vid allt högre temperaturer.

Helst ska elströmmen kunna flyta helt utan motstånd i det klimat som vanligen råder på jorden. Då skulle överföring av elkraft bli betydligt billigare. I dag uppgår förlusterna i högspänningsledningarna till 30 procent på vägen hem till oss. Slipper man kyla ner magneterna, kan billiga magnetkameror spridas till alla sjukhus, och snabba tåg som svävande tar sig fram längs rälsen skulle äntligen kunna lämna provstadiet. Även elektroniken väntar på en revolution. Uppvärmning orsakad av motstånd i elkomponenterna är ett hinder mot att förminska dem ytterligare.

Högtemperatursupraledning väntar dessutom fortfarande på sin teoretiska förklaring. Fast Alexej Abrikosov påstår, till mångas förvåning, att han känner till mekanismen bakom. Den är nära besläktad med supraledarna av typ-2, hävdar han. En dag ska han publicera sina fynd.

Många Nobelpris redan

Sedan 1930-talet har även helium blivit ett forskningsobjekt för fysiker. För i likhet med den evigt flytande elströmmen kan även kylda vätskor bli supraflytande – när den kalla heliumvätskan sätts i rotation kan den snurra för evigt. Men då måste den bli ännu kallare än vanligt.

Den förste som på 1930-talet systematiskt studerade supravätskan var ryssen Pjotr Kapitsa. Han kylde det i luften förekommande helium-4 till -271 °C och fick det att krypa uppför kärlets väggar, alltså uppföra sig just så konstigt som en supravätska ska.

En ung Lev Landau kom nästan omedelbart med en förklaring till vad som händer. Det fick han Nobelpris för 1962, samme man som så framgångsrikt tog sig an supraledarna tillsammans med Ginzburg. Hade inte en bilolycka satt ett tragiskt stopp för Landaus gärning, skulle han kanske sällat sig till de få vetenskapsmän som belönats med Nobelpris fler än en gång.

Kapitsa fick också Nobelpris i fysik, fast mycket senare, 1978. Det följdes av 1996 års pris till tre amerikaner som var först med att försätta en lättare heliumisotop, det sällsynta helium-3, i det säregna supratillståndet. Men helium-3 betedde sig inte riktigt som dess tyngre bror, och den amerikanska trion blev förundrade.

På mindre än en månad förklarade årets Nobelpristagare, Anthony Leggett, att vad experimentalisterna såg var just en supraledande vätska. Och vad de än hittade i sina fortsatta studier av det kylda helium-3, kunde de vara säkra på att Leggett redan hade förutsagt det i teorin, berättade de senare.

Supraflytande helium-3 utnyttjas flitigt av fysiker. Med den kalla vätskan kan man efterlikna det unga universum, eller studera kvantfysik, eller se efter vad som händer när ordning övergår i kaos. Att förstå det kaotiska flödet, turbulens, är enligt Vetenskapsakademien ett av den klassiska fysikens sista olösta problem.Det står på plats nummer 11 på Vitalij Ginzburgs lista över trettio av fysikens särskilt intressanta och viktiga problem. Alltsedan han presenterade listan för flera decennier sedan

har han modifierat och kommenterat den, och trots sina 87 år försöker Ginzburg fortfarande att överblicka så skilda forskningsfält som allmänna relativitetsteorin, kärnfusion och neutrinoastronomin. Eller, ja, varför inte supraledarfysiken. Det Nobelregn som har fallit över studier av extremt kalla material kommer nog att fortsätta i takt med allt nytt som upptäcks då kvantfysiken uppenbarar sig i kylan.