Kambario temperatūros superlaidininkai: viskas, ką reikia žinoti

Science Photo Library/Alamy

Jau daugiau nei šimtas metų praėjo nuo atradimo, kad kai kurios medžiagos gali būti idealiai laidžios elektrai. Toks superlaidininkas galėtų pakeisti mokslą ir technologiją, bet visi teiginiai apie tokios medžiagos, kuri gali veikti kambario temperatūroje ir įprastame slėgyje, įskaitant naujausius LK-99 medžiagos tyrimus, pasirodė kontroversiški.

Superlaidumas buvo atrastas 1911 m. kai fizikas Heike Kamerlingh Onnes pastebėjo, kad iki maždaug -269°C (-452°F) atšaldyta gyvsidabrio viela nesipriešina elektros tekėjimui. Per keletą metų buvo išsiaiškinta, kad itin žemoje temperatūroje superlaidumu pasižymi ir švinas bei niobio lydiniai su alavu, ir 1913 metais Kamerlinghas Onnesas laimėjo fizikos Nobelio premiją.

Geriau suprasti superlaidininkus mokslininkai pradėjo šeštojo dešimtmečio pradžioeje, kai JAV fizikai Johnas Bardeenas, Leonas Cooperis ir Johnas Robertas Schriefferis išvystė teoriją apie tai, kas vyksta šiose medžiagose, kai jos smarkiai atšaldomos. Jų vadinamoji BCS teorija – pagal Bardeeno, Cooperio ir Schriefferio vardus – buvo teigiama, kad superlaidininkuose elektronai suformuoja poras taip, kad jie gali pernešti elektrą be varžos. Šis svarbus elektronų susiporavimas vyksta dėl vibracijų medžiagas sudarančių atomų gardelėse, bet temperatūrai pakilus virš maždaug -233°C (-387°F), tai daryti nustoja.

BCS teorija jos autoriams irgi laimėjo fizikos Nobelio premiją, bet atrodė, kad superlaidininkai įmanomi tik naudojant itin galingus šaldiklius, kuriuose naudojamas brangus helis. Tai pasikeitė 1987 metais, kai buvo atrastas vario turintis superlaidininkas, veikiantis -196°C (-321°F) temperatūroje. Vėlesniais eksperimentais superlaidumo temperatūra buvo pakelta iki -140°C (-220°F).

Dabar superlaidininkai naudojami, maitinant neįtikėtinai galingus magnetus dalelių greitintuvuose ir MRI skeneriuose, ir yra kvantiniuose kompiuteriuose, kurie galįs įveikti geriausius pasaulyje superkompiuterius. Bet jie galėtų būti pritaikomi daug plačiau, jeigu jų nereikėtų šaldyti ir juos būtų lengviau naudoti ir gaminti.

Naudojami elektros tinkluose, jie padidintų efektyvumą ir būtų palankūs aplinkai ir galėtų padėti sukurti naujas energijos talpyklas. Nesudėtingai naudojami sueperlaidūs komponentai padėtų kurti kompaktiškesnius, komerciškai atsiperkančius termobranduolinės sintezės reaktorius.

Kodėl taip sunku sukurti kambario temperatūroje veikiančius superlaidininkus?

Dalis šio sudėtingumo kyla iš to, kad nei BCS teorija nei jokie bandymai ją praplėsti, nepateikia skirtingomis sąlygomis veikiančių superlaidininkų kūrimo recepto. Tyrėjai stengėsi identifikuoti superlaidumą lemiančius atomų išsidėstymus ir chemines medžiagų savybes, bet dar lieka patikrinti neįsivaizduojamai daug medžiagų kombinacijų.

Viena iš dominančių medžiagų yra grafenas, kuris yra atomo storio sluoksnis iš anglies, pasižymintis daugybe egzotiškų savybių, tarp kurių ir superlaidumas, bet jį pagaminti paprasčiau, nei daugelį vario turinčių superlaidininkų. Kai kurie eksperimentai rodo, kad superlaidumą galima tiksliai kontroliuoti, įjungti ir išjungti, tiesiog sluoksniuojant ir pasukant grafeno lakštus, bet superlaidumo temperatūra vis viena yra apie -271°C (-456°F).

Abu eksperimentus kiti tyrėjai kruopščiai patikrino, ir straipsnis su 2020 metų rezultatais vėliau buvo atšauktas. Prieš atšaukimą kai kurie šios srities ekspertai suabejojo publikuotų duomenų tikslumu. Tyrėjai laikėsi savo 2023 rezultatų, bet praėjus savaitei nuo rezultatų paskelbimo, kita komanda pranešė, kad jie pakartoj eksperimentą ir superlaidumo neaptiko.

Kitą tyrimą vykdžiusios dvi nepriklausomos tyrėjų komandos pranešė, kad skandžio pagrindu sukurti superlaidininkai veikia aukštesnėje temperatūroje, kai ekstremaliai spaudžiami. Bet kadangi rezultatai nėra gerai suprantami teoriškai, o medžiagą pagaminti sunku, dar neaišku, ar tai proveržis.

O šį mėnesį kiti varžybose pasirodė kitas pretendentas, iš švino, deguonies ir fosforo sudarytas LK-99. Dviejuose straipsniuose išankstinių publikacijų tarnyboje arXiv pateikiami matavimai, kaip ši medžiaga reaguoja į per ją tekančią elektrą ir į magnetinus laukus, o abiem atvejais yra žinoma, kas turėtų vykti su superlaidininku. Tyrėjai šiuos bandymus atliko kambario temperatūroje ir vidutiniame slėgyje. Savo matavimo rezultatus jie interpretavo taip, kad LK-99 iš tiesų superlaidus nešaldant ir neslegiant.

Jų teiginius tyrėjų bendruomenė sutiko skeptiškai. Ekspertai, su kuriais konsultavosi New Scientist, nurodo duomenų savybes, kurios keistos buvo keistos ar nenuoseklios. Tad, kol kitos tyrėjų grupės atidžiau moksliškai patikrins ir recenzuos darbą, patogaus superlaidininko paieškos dar nebaigtos.

Karmela Padavic-Callaghan
www.newscientist.com