Laviini vallandanud nobelist esines Tartus
Kui 1980. aastate keskel levis teadusmaailmas sõnum, et on leitud ained, mis muutuvad ülijuhiks kõrgemal temperatuuril kui metallid, puudutas see ka Eesti Teaduste Akadeemia keemilise ja bioloogilise füüsika instituuti. Selle direktori Endel Lippmaa initsiatiivil hakati kibekähku uurima, kuidas nende metallioksiididega ikka lood on ning ehk võiks leida midagi uut ja paremat. Lippmaa ei olnud maailmas ainus, kes oma teadlasi tol ajal ülijuhtivuse uurimisele õhutas. Sajad ja sajad laborid üle maailma paiskasid järgneva kümne aasta jooksul ajakirjadesse sadu ja sadu teateid üha uute ülijuhtide uutest omadustest.
“Me oleme harjunud supermarketitega. Kuid “super” tuli enne nende ilmumist kasutusele ülijuhtide juures.” Seda ütleb Tartu ülikooli aulas oma loengut sisse juhatades Šveitsi füüsik K. Alex Müller. Elegantse halli habemekesega auväärses eas mees, kes kõneleb superülijuhtivusest. Ehk teisisõnu – kõrgtemperatuursetest ülijuhtidest. Alast, milles tema 1980. aastate lõpul saadud tulemused vallandasid superlaviini. Müller ja tema kaastöötaja J. Georg Bednorz ise selle laviini alla ei jäänud. Kus sa sellega. Vaid aasta pärast oma põhitulemuste avaldamist teadusajakirjas said Müller ja Bednorz Nobeli füüsikapreemia. Mis on kahtlemata ülisaavutus. Tavaliselt taibatakse anda läbimurdeavastustele Nobel palju pikema mõtlemisaja peale.
Uue aine otsingul
Ülijuhtivusega pidigi teisiti minema. Kui hollandi füüsik Haike Kamerlingh Onnes 1911. aastal avastas, et temperatuuri alanedes absoluutse nulli lähedale kaob elavhõbedal, tinal ja seatinal takistus elektrivoolu suhtes, võeti seda kui huvitavat, ent siiski vaid skolastilist nähtust. Onnes sai ülijuhtivuse avastada, sest oli suutnud esimesena veeldada heeliumi, mis nõudis jõudmist 269 pügala sügavuse külmani. Ehk 4,2 kraadi ülespoole absoluutset nulli, mis on –273,15 kraadi Celsiuse skaala kohaselt. Nobeli preemia sai Onnes 1913. aastal mitte niivõrd ülijuhtivuse avastamise, kuivõrd just nimelt ja eelkõige heeliumi veeldamise eest.
Metalli vedela heeliumiga külmutada on kallis lõbu. Kuid saada kätte elektrijuht, mis juhib elektrit, nii et energiat kaotsi ei lähe, ja mis toimiks kõrgemal temperatuuril, sai aja edenedes järjest suuremaks unistuseks. Unistuseks, mille realiseerisid Müller ja Bednorz 1986. aastal.
Mülleri idee oli lihtne. Tuleb otsida uusi ülijuhtivaid materjale. Ta asus neid otsima sealt, kust keegi teine ei osanud otsida. Nimelt metallioksiidide seast. Tavatemperatuuril ei juhi need eripärased ained elektrit üldse. Kuid miks ei võiks lantaanist, vaskoksiidist ja baariumist koosnev aine hakata elektrit ülijuhtima heeliumi kombel – temperatuuril –269 kraadi Celsiust? Äkki saab vask nii madalatel temperatuuridel sellise vabaduse, et aatomite elektronid lasevad mööda ainet ringi, kohtamata vähimatki takistust?
Lantaan-vaskoksiidi peale ei tuldud muidugi täiesti juhuslikult. Müller oli selletaolisi aineid uurinud ennegi. Kuid ülijuhiks kahtlustamine sõltus kindlasti intuitsioonist. Ja parajast portsust õnnest.
Tuli välja, et säherdune aine muutubki ülijuhiks. Ja mis veelgi tähtsam – muutub selliseks palju kõrgemal temperatuuril kui puhtad metallid. Kui Müller ja ta kaastöötaja J. Georg Bednorz avaldasid 1986. aastal artikli, milles näidati metalli oksiidide ülijuhtivust temperatuuril 35 kraadi üle absoluutse nulli, vallandas see füüsikute seas üleilmse superülijuhtivuse hoogtöökümnendi. “Meie tahtsime vaid näidata, et oksiidid on metallidega võistlusvõimelised,” kinnitas Müller tagasihoidlikult. Polnud nende süü, kui selgus, et on hoopis paremad.
Sajad ja sajad füüsikute rühmad üle kogu Maa asusid palavikuliselt otsima võimalusi, et leida superaine, mis muutuks ülijuhtivaks temperatuuril vähemalt 63 kraadi üle absoluutse nulli. Miks oli oluline just see temperatuur? Aga sellepärast, et siis veeldub lämmastik. Ja vedela lämmastiku abil ülijuhi madalat temperatuuri hoida on palju lihtsam ja odavam, kui kasutada vedelat heeliumi.
See võimalus üsna ruttu ka leiti. Ikka samalaadsete metallioksiidide seast, mida Müller pakkunud oli. Nüüdseks saab mõne kavala metallioksiidi ülijuhiks temperatuuril 163 kraadi Kelvinit. Mis on 110 kraadi Celsiuse pakast.
Mis on ülijuhid
Ülijuht on metall või ühend, mis hakkab takistuseta elektrit juhtima teatud temperatuurist allapoole. See tähendab, et voolu kulgemisel selles energia ei vähene. Kui kord ülijuhist mähises on vool liikuma pandud, siis kulgeb see edasi igavesti. See ei tähenda küll igiliikurit, sest madala temperatuuri hoidmiseks läheb energiat ikka vaja.
Ülijuhti hoitakse tavaliselt vedela lämmastiku lähedasel temperatuuril. Ülijuhtidest mähistega magnetite abil saadakse väga tugevaid magnetvälju, mida kasutatakse aine uurimiseks näiteks tuumamagnetresonantsi abil. Aineid, mis muutuvad ülijuhiks vedela heeliumi temperatuurist kõrgematel temperatuuridel, nimetatakse kas kõrgtemperatuurseteks ülijuhtideks või superülijuhtideks. Kõige kõrgem temperatuur, mille juures on aine ülijuhtivaks muutunud, on siiski –110 C. Seega suuremat rakendust (näiteks hõljukrongid, elektriliinid jmt) ülijuhtidel siiski veel ei ole.
K. Alex Müller oma õpetajast Wolfgang Paulist
Wolfgang Pauli oli kuulsamaid ja terasema mõistusega füüsikuid, kvantmehaanika loojaid. Inimesed ei tea, et tal olid väga tihedad sidemed psühhoanalüütik Jungiga. See sai alguse 1930. aastatel, kui Paulil oli kriis oma esimesest naisest lahutamisega. Ta eksamineeris mind 1952. aastal.
Pauli avaldas koos Jungiga ka psühholoogiaraamatu. Ta laiendas Niels Bohri komplementaarsuse ehk täiendavuse printsiipi. Bohr nägi täiendavust laine ja osakeste vahel, avaldas 1927. aastal sel teemal artikli. Psühholoogias on teadvus ja alateadvus, mis on samuti komplementaarsed, teineteist täiendavad. Pauli nägi täiendavust objektiivse teaduse ja subjektiivse teadvuse vahel.
Midas oli Kreeka kuningas, kelle puudutusest muutus kõik kullaks. Pauli ütles kord Jungile, et oled omamoodi Midas – kõik, mida sa puudutad, muutub psühholoogiaks.
Kuulsate meeste õpilane füüsika superavastuste aegadest
Harva, kui Nobeli preemia on antud kätte nõnda kähku, kui said Müller ja Bednorz. Oma põhitulemuse saavutamisel oli Müller 58-aastane, kummutades nõnda väite, et inimese parimad loomeaastad on kolmekümnendad.
Müller kõneles Tartus oma võluva saksa aktsendiga inglise keeles superülijuhtivusest. Tema supertulemuse taga on hea haridus ja visa töö. Pikka aega töötas Müller IBM-i Zürichi teaduslaboratooriumis. “IBM ei kirjutanud kunagi ette, mida teeme. 50 teadlast võisid teha, mida tahtsid. Aasta lõpul tuli vaid kirjutada leheküljepikkune aruanne. Minu jaoks oli IBM hea mudel,” kiidab Müller.
78-aastane Müller on omamoodi saadik noist aegadest, mil füüsikas veel vapustavaid avastusi tehti. Üks tema õpetajatest Šveitsi föderaalses tehnoloogiainstituudis oli legendaarne Wolfgang Pauli. Mees, keda Niels Bohr nimetas geeniuseks, kes oli Einsteinist suuremgi. “Pauli oli üliteoreetik. Väga terase mõistusega ja taipas hetkega, kui miski oli valesti,” meenutab Müller. Einstein otsis avalikku tähelepanu. Pauli aga hoidus sellest.
“Mina tahtsin saada elektriinseneriks. Kuid keskkooliõpetaja ütles, et õpi parem füüsikat, sest sa taipad, mis toimub raadiolampides,” meenutab Müller. Vahepeal panid ameeriklased oma aatompommid plahvatama. See kasvatas füüsikat õppijate arvu Zürichis mitu korda. “Kuid tuumafüüsika polnud minu esmaeesmärk,” ütleb Müller. “Professorid polnud sellise hulga üliõpilaste jaoks ette valmistunud ja nad kohtlesid meid üsna karmilt. Meil oli 1949. aastal nn aatompommisemester.”
Füüsikateoreetik Vladimir Hinjakovi poolt Eestisse kutsutud Müller ei jätnud kasutamata juhust kiita meie füüsikute rehkendusi. Hinjakov on loonud kvantsiirete teooria, mis seob lokaalseid, kohalikke võnkumisi kriitiliste seisunditega. Selle eest sai ta 2003. aastal Eesti teaduspreemia. Ta on ka teinud Mülleriga koostööd 1990. aastate algul.
Superülijuhiga on asjad siiani segased. Polegi täpselt teada, miks see ikkagi ülijuht on. Kui tavalise ülijuhi jaoks on olemas seletus – asja teevad ära metallis madalal temperatuuril moodustuvad elektronide paarid, siis superülijuhti tuleb siiani võtta nähtumuslikult. “Üldtunnustatud teooriat ei ole, kuid mitmeid teooriaid on siiski olemas,” kommenteerib Hinjakov.
“Praegu seisab superülijuhtivus vaid ühel jalal, milleks on meie avastatud metallide oksiidid. Loodan veel oma silmaga näha, et see ka teise jala alla saab,” muheleb Müller oma halli habemetuti tagant.
