Rekord nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego został ponownie pobity

Nadprzewodnictwo to dziwne zjawisko zerowego oporu elektrycznego, które występuje, gdy niektóre materiały są chłodzone poniżej temperatury krytycznej. Najlepsze nadprzewodniki muszą być chłodzone ciekłym helem lub azotem, aby były wystarczająco zimne (często tak niskie, jak -250°C lub -480 F) do pracy. Świętym Graalem dla naukowców jest pomysł, że materiał może być nadprzewodnikiem w temperaturze około 0 °C — tak zwanym nadprzewodnictwem w temperaturze pokojowej. Gdyby coś takiego kiedykolwiek zostało odkryte, uwolniłoby szeroką gamę nowych technologii, w tym superszybkie komputery i transfer danych.

Historia nadprzewodnictwa jest zaśmiecona wątpliwymi twierdzeniami o aktywności wysokotemperaturowej, która później okazuje się niemożliwa do odtworzenia. Rzeczywiście, fizycy mają na to nazwę: USO lub niezidentyfikowane obiekty nadprzewodnikowe.

Dlatego nowe twierdzenia o nadprzewodnictwie wysokotemperaturowym należy traktować z ostrożnością. Mimo to, dzisiejsza wiadomość, że rekord nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego został pobity, warto przyjrzeć się bardziej szczegółowo.

Praca pochodzi z laboratorium Michaiła Eremetsa i współpracowników z Instytutu Chemii Maxa Plancka w Moguncji w Niemczech. Eremets i jego koledzy twierdzą, że zaobserwowali nadprzewodnictwo wodorku lantanu (LaH10) w temperaturze 250 K, czyli –23 °C.

To więcej niż aktualna temperatura na biegunie północnym. Według zespołu nasze badanie stanowi krok naprzód na drodze do nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej. (Zastrzeżeniem jest to, że próbka musi znajdować się pod ogromnym ciśnieniem: 170 gigapaskali, czyli około połowy ciśnienia w centrum Ziemi).

Eremets ma w tej dziedzinie dość imponujący rodowód. Długoletni czytelnicy tego bloga będzie pamiętał, kiedy pobił poprzedni rekord nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w 2014 roku . Przy tej okazji jego zespół był w stanie zmierzyć aktywność nadprzewodzącą w siarkowodorze w temperaturze –80 °C, czyli o około 10 stopni cieplej niż jakikolwiek inny materiał. Później podniósł to do –70 °C i opublikował pracę w „Nature”, która spotkała się z ogromnym uznaniem.

Ale oszałamiającą niespodzianką dla fizyków była natura materiału nadprzewodzącego.

Nadprzewodnictwo jest dobrze poznane w konwencjonalnych nadprzewodnikach, które są sztywnymi sieciami jonów dodatnich zanurzonych w oceanie elektronów. Opór elektryczny występuje, gdy elektrony poruszające się przez sieć są spowalniane przez zderzenie z nią, podczas gdy nadprzewodnictwo pojawia się, gdy sieć jest schładzana do punktu, w którym staje się wystarczająco sztywna, aby mechaniczne fale dźwiękowe lub fonony mogły przez nią przechodzić. Fale te deformują siatkę podczas przemieszczania się. A elektrony mogą surfować po tej deformacji.

W rzeczywistości w niskiej temperaturze elektrony łączą się ze sobą, tworząc tak zwane pary Coopera. I to właśnie te pary Cooperów surfujące przez sieć tworzą nadprzewodnictwo.

Wraz ze wzrostem temperatury pary Coopera rozpadają się i nadprzewodnictwo ustaje. Ta zmiana zachodzi w tak zwanej temperaturze krytycznej.

Przed 2014 r. najwyższa temperatura krytyczna dla tego rodzaju nadprzewodnictwa wynosiła około 40 K lub –230 °C. Rzeczywiście, wielu fizyków uważało, że ten rodzaj nadprzewodnictwa nie może działać w wyższych temperaturach.

Dlatego ogłoszenie Eremetsa było tak niezwykłe — siarkowodór jest konwencjonalnym nadprzewodnikiem, który zachowuje się w sposób, który wielu ludzi uważało za niemożliwe.

(W 1986 roku fizycy odkryli zupełnie inną formę nadprzewodnictwa w materiałach ceramicznych w temperaturze 180 K lub –90 °C. Nadal nie jest to dobrze poznane i poczyniono niewielkie postępy w zwiększaniu temperatury).

Odkrycie Eremetsa wywołało gorączkową aktywność teoretyczną w celu wyjaśnienia, w jaki sposób zachodzi nadprzewodnictwo. Konsensus jest taki, że w siarkowodorze jony wodoru tworzą sieć, która przenosi pary Coopera z zerową rezystancją, gdy temperatura spada poniżej krytycznego poziomu.

Może się to zdarzyć w wysokiej temperaturze, ponieważ wodór jest tak lekki. Oznacza to, że siatka może wibrować z dużą prędkością, a zatem w wysokiej temperaturze. Ale krata musi być również mocno utrzymywana w miejscu, aby wibracje nie rozerwały jej na strzępy. Dlatego nadprzewodnictwo działa tylko pod wysokim ciśnieniem.

Od tego czasu przeprowadzono wiele prac teoretycznych i obliczeniowych, aby przewidzieć inne materiały, które mogą w ten sposób nadprzewodzić w wysokiej temperaturze. Jednym z prawdopodobnych kandydatów jest wodorek lantanu, nad którym pracowali Eremets i spółka.

Odkrycie nadprzewodnictwa w 250 K jest zwycięstwem nie tylko Eremetsa i jego zespołu, ale także metod teoretycznych, które to przewidziały. Ten skok o ~ 50 K w stosunku do poprzedniego rekordu 203 K wskazuje na realną możliwość uzyskania w niedalekiej przyszłości nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej (tj. 273 K) przy wysokich ciśnieniach, mówią Eremets i spółka.

Jednak przed nami jeszcze trochę pracy. Fizycy potrzebują trzech oddzielnych dowodów, aby przekonać się, że nadprzewodnictwo rzeczywiście ma miejsce. Pierwszym z nich jest charakterystyczny spadek rezystancji wraz ze spadkiem temperatury. Eremets to ma.

Drugi polega na zastąpieniu pierwiastków w próbce cięższymi izotopami. Powoduje to, że sieć wibruje z różną prędkością i odpowiednio zmienia temperaturę krytyczną. Eremets i spółka również mają ten dowód, ponieważ zastąpili wodór w swoich próbkach deuterem i zaobserwowali krytyczny spadek temperatury do 168 K, tak jak oczekiwano.

Trzeci nurt dowodu nazywa się efektem Meissnera: nadprzewodnik powinien wyrzucać dowolne pole magnetyczne. To tutaj Eremets i spółka walczyli. Ich próbki są tak małe – mają zaledwie kilka mikrometrów średnicy i znajdują się wewnątrz wysokociśnieniowych diamentowych komórek kowadełka – że naukowcy nie byli jeszcze w stanie zmierzyć tego bezpośrednio, chociaż mają inne dowody magnetyczne.

Bez tego ostatecznego podpisu fizycy mogą wstrzymać się z pełnym uściskiem. Ale z pewnością jest to coś, nad czym zespół ciężko pracuje.

W międzyczasie praca otwiera kilka oczywistych innych dróg do podążania. Modele obliczeniowe sugerują, że nadwodorki itru mogą być nadprzewodnikami w temperaturach powyżej 300 K — prawdziwie pokojowej temperaturze (chociaż tylko przy ciśnieniach częściej spotykanych w centrum Ziemi).

Tak więc nadprzewodniki w temperaturze pokojowej w takiej czy innej formie mogą wcale nie być daleko. Pojawi się zatem pytanie, jak najlepiej je wykorzystać.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1812.01561 : Nadprzewodnictwo w 250 K w wodorku lantanu pod wysokim ciśnieniem

ukryć