Vandenilio sulfidas sumušė superlaidininkų pasaulio rekordą

Vokietijos mokslininkai patvirtino, kad vandenilio sulfidas – supuvusiems kiaušiniams suteikiantis būdingą kvapą komponentas – gali praleisti elektrą be varžos rekordiškai aukštoje -70 °C temperatūroje. Sumušę ankstesnįjį, maždaug –110 °C rekordą, tyrėjai dar šiek tiek priartino išsipildymą svajonės apie kambario temperatūros superlaidininku, vieną dieną galinčius visiškai pakeisti energijos gamybą ir perdavimą.

Gebėjimas pasiekti superlaidumą be šaldymo sukeltų revoliuciją ne tik tose srityse, kur šis efektas jau naudojamas, pavyzdžiui, maglev traukiniuose, magnetinio rezonanso aparatuose ir dalelių greitintuvuose, bet ir visi mūsų naudojami elektroniniai prietaisai taptų itin efektyvūs. Energijos nepraradimas dėl varžos be pramoninio lygio šaldymo reikštų, kad viskam, nuo vėjo turbinų iki elektros motorų ir nešiojamųjų kompiuterių kroviklių reikėtų daug mažiau elektros.

Maxo Plancko chemijos instituto komanda pirmuosius ženklus, kad vandenilio sulfidas gali būti vertas atidesnio tyrimo, užfiksavo dar gruodį, ir dabar praneša, kad, panaudojus deimanto priekalą, vandenilio sulfido pavyzdžius labai smarkiai suspaudus – ~ 1,5 milijono atmosferų (150 gigapaskalių) – ir atšaldžius iki -70 °C, jie iš dujų virsta metalu ir tampa superlaidūs.

Superlaidumas apibūdinamas dviem charakteristikomis: nuline elektros varža ir vadinamuoju Meissnerio efektu. Meissnerio efektas pasireiškia, medžiagai pereinant iš normalios į superlaidžią būseną, kai magnetinis laukas iš medžiagos vidaus išstumiamas į išorę. Dėl šio reiškinio magnetai virš superlaidininkų levituoja.

Jaudina ne tik santykinai aukšta šios būsenos pasiekimo temperatūra, bet, kaip praneša Edwin Cartlidge Nature Magazine, mokslininkai labai susidomėjo rezultatais, „nes jie buvo pasiekti, nenaudojant tokių egzotiškų medžiagų, kaip vario turinčių komponentų, „kupratų“, kuriems iki šiol priklausė aukščiausios superlaidumo -140℃ temperatūros normaliame slėgyje ir -109℃ aukštame slėgyje rekordas“.

Nors komanda nėra visai užtikrinta, kodėl jų vandenilio sulfido superlaidininkas veikia, jie kelia hipotezę savo Nature straipsnyje, kad tai gali būti susiję su tuo, kad medžiagoje daug vandenilio jonų, kurie „padrąsina“ elektronus formuoti vadinamąsias Kuperio poras. Šios poros gali tekėti per kristalinę naujai suformuoto vandenilio sulfido metalo gardelę be varžos, dėl to srovę per jį teka greičiau.

Colinas Barrasas paaiškina New Scientist žurnale:

„Per metalą keliaujantys elektronai nuolat atsimuša į jonus, su kiekvienu smūgiu prarasdami energiją. Tačiau tuo pačiu jie pakeičia teigiamų jonų poziciją metale, sukurdami mažus teigiamo krūvio debesėlius. Šie teigiami debesėliai gali sustumti elektronus draugėn ir suformuoti Kuperio poras, kurių tikimybė atsitrenkti į metalo jonus ir prarasti energiją yra daug mažesnė. Todėl elektronų poros perneša krūvį daug efektyviau, nei atskiri elektronai.“

Paprastai Kuperio poras lengvai suardo karštis, todėl dabartinius superlaidininkus reikia labai smarkiai atšaldyti. Kaip praneša Barrasas, naujasis Maxo Plancko instituto mokslininkų sukurtas superlaidininkas veikia aukštesnėje temperatūroje, nes tarp jo teigiamų jonų yra lengvo vandenilio, kurį elektronai lengviau suporuoja. „Tai reiškia, kad teigiami debesys yra tankesni, ir elektronai suformuoja tvirtesnes Kuperio poras, kurias šilumai sunkiau išardyti," sako jis.

Prieš imdami džiūgauti, dar turime palaukti, kol rezultatus pakartos nepriklausoma komanda. Cartlidge'as Nature Magazine praneša, kad komanda Japonijoje pasiekė varžos išnykimą suspaustame sieros vandenilyje, bet kol kas neužfiksavo Meissnerio efekto. O trys komandos iš Kinijos ir viena iš JAV, visos tyrusios vandenilio sulfidą, kol kas nepatvirtino nė vieno.

Vienas iš komandos narių, Mikhailas Eremetsas, sakė New Scientist, kad tikisi, jog kas nors ne tik patvirtins naują jų rekordą, bet ir jį pagerins. Jis pažymi, kad yra medžiagų, galinčių sukurti dar tvirtesnes Kuperio poras, ir taip galime prisiartinti prie išsvajotųjų kambario temperatūros superlaidininkų. „Teoriškai jie nėra neįmanomi,“ sako jis.