Nadprzewodnik działający w temperaturze Ziemi

W świecie nadprzewodnictwa panuje zamieszanie. W zeszłym roku Michaił Eremets i kilku kumpli z Instytutu Chemii Maxa Plancka w Moguncji w Niemczech wydali niezwykłe twierdzenie, że widzieli nadprzewodnictwo siarkowodoru w temperaturze -70 °C. To około 20 stopni cieplej niż jakikolwiek inny materiał – ogromny wzrost w stosunku do obecnego rekordu.

Obserwatorzy tego bloga będą przeczytałem o tej pracy w grudniu zeszłego roku , kiedy po raz pierwszy został opublikowany na arXiv. W tamtym czasie fizycy podchodzili do pracy ostrożnie. Historia nadprzewodnictwa jest zaśmiecona wątpliwymi twierdzeniami o aktywności wysokotemperaturowej, która później okazuje się niemożliwa do odtworzenia.

Ale w ciągu następnych miesięcy Eremets i spółka ciężko pracowali, aby wyczarować ostatnie fragmenty rozstrzygających dowodów. Kilka tygodni temu ich artykuł został ostatecznie opublikowany w recenzowanym czasopiśmie Natura , nadając mu pieczątkę szacunku, której wymaga fizyka głównego nurtu. Nagle na pierwsze strony gazet wraca nadprzewodnictwo.

Dzisiaj Antonio Bianconi i Thomas Jarlborg z Rzymskiego Międzynarodowego Centrum Materiałów Superstripes we Włoszech dokonują przeglądu tej ekscytującej dziedziny. Ci faceci przedstawiają przegląd odkrycia Eremeta i spółki oraz traktują pracę teoretyczną, która próbuje to wyjaśnić.

Najpierw trochę tła. Nadprzewodnictwo to zjawisko zerowego oporu elektrycznego, które występuje w niektórych materiałach, gdy są one schładzane poniżej temperatury krytycznej.

Zjawisko to jest dobrze poznane w konwencjonalnych nadprzewodnikach, które są zasadniczo sztywnymi sieciami jonów dodatnich skąpanych w morzu elektronów. Opór elektryczny występuje, ponieważ elektrony wpadają na tę sieć i tracą energię, gdy się przez nią poruszają.

Jednak w niskich temperaturach elektrony mogą łączyć się ze sobą, tworząc pary Coopera. Jednocześnie sieć staje się wystarczająco sztywna, aby umożliwić spójny ruch fal zwanych fononami.

Nadprzewodnictwo występuje, gdy pary Coopera i fonony przechodzą razem przez materiał, fale zasadniczo torują drogę parom elektronów. I rozpada się, gdy wibracje w sieci — jej temperatura — stają się wystarczająco silne, aby rozerwać pary Cooperów. To jest temperatura krytyczna.

Do niedawna najwyższa temperatura krytyczna tego rodzaju wynosiła około 40 kelwinów lub -230 stopni Celsjusza.

Istnieją zasadniczo trzy cechy, których fizycy poszukują jako dowodu na to, że materiał nadprzewodnikowy. Pierwszym z nich jest nagły spadek rezystancji elektrycznej, gdy materiał jest chłodzony poniżej tej krytycznej temperatury. Drugi to wypychanie pól magnetycznych z wnętrza materiału, zjawisko znane jako efekt Meissnera.

Trzecia to zmiana temperatury krytycznej, gdy atomy w materiale są zastępowane izotopami. Dzieje się tak, ponieważ różnica w masie izotopów powoduje, że sieć wibruje inaczej, co zmienia temperaturę krytyczną.

Istnieje jednak inny rodzaj nadprzewodnictwa, który jest znacznie mniej dobrze poznany. Dotyczy to pewnych substancji ceramicznych odkrytych w latach 80. XX wieku, które nadprzewodzą do temperatury około -110 stopni Celsjusza. Nikt tak naprawdę nie rozumie, jak to działa, ale większość badań w społeczności nadprzewodników koncentruje się na tych egzotycznych materiałach.

Praca Eremeta i spółki prawdopodobnie to zmieni. Być może największym zaskoczeniem w ich przełomie jest to, że nie obejmuje nadprzewodnika wysokotemperaturowego. Zamiast tego siarkowodór jest zwykłym nadprzewodnikiem, jakiego nigdy nie widziano w pracy w temperaturach wyższych niż około 40 kelwinów.

Eremet i spółka osiągnęli swój trik, ściskając materiał pod ciśnieniem, które występuje tylko w środku ziemi. Jednocześnie udało im się znaleźć dowody na wszystkie ważne cechy nadprzewodnictwa.

Podczas gdy cała ta eksperymentalna praca trwa, teoretycy zastanawiają się, jak to wyjaśnić. Wielu fizyków uważało, że istnieje jakiś teoretyczny powód, dla którego konwencjonalne nadprzewodniki nie mogą działać w temperaturach powyżej około 40 kelwinów. Ale w rzeczywistości w teorii nie ma nic, co mogłoby zapobiec nadprzewodnictwu w wyższych temperaturach.

Rzeczywiście, w latach 60. brytyjski fizyk Neil Ashcroft przewidział, że wodór powinien być zdolny do nadprzewodnictwa w wysokich temperaturach i ciśnieniach, być może nawet w temperaturze pokojowej. Jego pomysł polegał na tym, że wodór jest tak lekki, że powinien tworzyć sieć zdolną do wibrowania z bardzo wysokimi częstotliwościami, a zatem do nadprzewodnictwa w wysokich temperaturach i ciśnieniach.

Odkrycie Eremeta i spółki wydaje się być potwierdzeniem tego pomysłu. A przynajmniej coś w tym stylu. Istnieje wiele teoretycznych załamań, które należy rozwiązać, zanim fizycy będą mogli powiedzieć, że właściwie rozumieją, co się dzieje. Ta teoretyczna praca jest w toku.

Teraz trwa wyścig o znalezienie innych nadprzewodników, które działają w jeszcze wyższych temperaturach. Jednym z obiecujących kandydatów jest H3S (w przeciwieństwie do H2S, nad którym początkowo pracował Eremet).

I oczywiście fizycy zaczynają myśleć o zastosowaniach. Wykorzystywanie tego materiału wiąże się z licznymi wyzwaniami, nie tylko dlatego, że występuje on w postaci nadprzewodzącej tylko w maleńkich próbkach wewnątrz kowadeł wysokociśnieniowych.

Ale to nie powstrzymało ludzi od spekulacji. Odkrycie to ma znaczenie nie tylko w materiałoznawstwie i materii skondensowanej, ale także w innych dziedzinach, od informatyki kwantowej po fizykę kwantową żywej materii, mówią Bianconi i Jarlborg. Skłaniają również do myślenia, że ​​ten nadprzewodnik działa w temperaturze o 19 stopni wyższej niż najniższa temperatura, jaką kiedykolwiek zarejestrowano na Ziemi.

To sprawia, że ​​jest to ekscytująca dziedzina, w której można się znaleźć i taka, o której prawdopodobnie usłyszymy o wiele więcej w nadchodzących miesiącach i latach.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1510.05264 : Nadprzewodnictwo powyżej najniższej temperatury Ziemi w ciśnieniowym wodorotlenku siarki

ukryć