Energijos revoliuciją galintis sukelti superlaidumo proveržis

Tai buvo vadinama „fizikos Vudstoku“. 1987 metų kovo 18 dieną Niujorko Hilton viešbutyje skubiai surengta Amerikos fizikos draugijos susitikimo sesija turėjo trukti vos kelias valandas.

Renginyje apie 1800 fizikų grūdosi erdvėje, skirtoje 1100, o tūkstančiai stebėjo ją televizijos ekranuose lauke.

Sesija galiausiai baigėsi ryte, 3:15, o nemažai liko ir kol prašvito. Naujienos pasirodė viso pasaulio laikraščių pirmuosiuose puslapiuose. Niujorke susitikimo dalyviai buvo sveikinami gatvėje.

Tokios neįtikėtinos euforijos priežastimi tapo proveržių superlaidumo srityje lavina. Superlaidininkai yra medžiagos, kuriomis elektronai, taigi ir elektros srovė, gali tekėti, nepatirdama varžos – kitaip nei mūsų elektrifikuotą visuomenę aprūpinantys metaliniai laidai ar kompiuteriuose naudojami puslaidininkiai.

Praktiškas superlaidininkai žymėtų energijos gamybos, kaupimo ir perdavimo revoliuciją – būtent tai, ko reikia spartėjančios klimato kaitos eroje.

„Mums pavyko pagaminti superlaidininką, veikiantį beveik kambario temperatūroje”

Praėjus daugiau nei 33 metams, ši revoliucija vis dar lūkuriuoja. Tačiau neseniai pasigirdo atsinaujinusio optimizmo gaidelės. Teorija ir eksperimentai drauge tiesia naujus kelius link superlaidininkų.

Ir ne tik tai, panašu, jau pagaminome superlaidininką, veikiantį beveik kambario temperatūroje – galutinį šios fizikos srities tikslą. Lig šiol, ieškodami veikiančių superlaidininkų, dvoklinėjome tamsoje. Staiga išvydome šviesos spindesį.

Tai buvo ilgas kelias, siekiantis toliau, nei 1987 metų falšstartas. Dar 1911 olandų fizikas Heike Kamerlingh Onnes atrado, kad gyvsidabrio viela visiškai praranda elektrinę varžą vos 4,2 kelvinais už absoliutų nulį (-273,15°C) aukštesnėje temperatūroje. Kitais metais atrasta, kad superlaidininkais atitinkamai 3,8K ir 7,2K temperatūroje tampa alavas ir švinas, paskui ir kiti metalai, dažniausiai lydiniai, pavyzdžiui, niobio-alavo.

Pirmyn ir aukštyn

Tai vadinama žematemperatūriu, „įprastiniu“ superlaidumu. Kaip šeštajame dešimtmetyje pagaliau parodė Nobelio premija apdovanotas tyrimas, jis kyla, nes laidumo elektronai susijungia į vadinamąsias Cooperio poras, kurių kvantinės savybės leidžia išvengti barjerų, įprastai trukdančių judėti per kietą medžiagą. Šis susiporavimas vyksta dėl fononų – kietą būną sudarančios atominės gardelės vibracijų. Šias vibracijas aukštesnė temperatūra sutrikdo. Lig šiol įprastiniai superlaidininkai veikė tik žemesnėje nei 40K ar panašioje temperatūroje, o tai reiškia, kad juos reikėjo šaldyti brangiu skystu heliu.

1987 metais pasaulį sujaudino medžiagų, tampančių superlaidžiomis aukštesnėje nei 100K temperatūroje, atradimas. Tai buvo didžiulis šuolis, nes jiems pakako santykinai pigaus ir prieinamo skysto azoto, veikiančio iki 77K. Tyrėjų komandos greitai ištobulino šiuos naujus vario oksido superlaidininkus, „kupratus“, eksperimentuodami su įvairiais elementais įvairiomis proporcijomis. Iki 1993 metų maksimali superlaidumo temperatūra pakilo iki 133K arba −140°C, šiek tiek mažiau, nei pusiaukelės tarp absoliutaus nulio ir kambario temperatūros, kuria paprastai laikoma 293K arba 20°C.

Tačiau, tai buvo viskas. Kitaip nei konvencinių superlaidininkų atveju, kas vyksta šiuose aukštesnės temperatūros superlaidininkuose, kad jie praranda elektrinę varžą, nežinome. Įtariame, kad jie Cooperio poras sukuria tiesiogiai, be fononų, tačiau tai tik spėjimas. Nežinant užtikrintai, tobulinti šių medžiagų receptus galima tik baksint lazda ir sukryžiavus pirštus.

Kupratų superlaidininkai turi ir praktinių trūkumų. Jie nėra plastiški metalai, iš kurių galima ištempti plonas vielas, o trapi keramika. Jų gamyba brangi, juos lengva „apnuodyti“ pašaliniais elementais, o superlaidumas pasireiškia tik viename kristale. Taigi, gaminti elektros perdavimo linijoms jie netinka (žr. „Kaip superlaidininkai pakeis pasaulį?“). „Tai reiškia, kad tektų pabandyti sukurti kilometrų ilgumo kristalą,“ sako Oxfordo universitete superlaidininkų pritaikymą tyrinėjanti Susie Speller.

Dalies šių problemų galima išvengti naudojant kuprato vielas iš bismuto stroncio kalcio vario oksido, vadinamo BSCCO (tariama „bisko“). Bet ši medžiaga daugumai tikslų yra „neleistinai brangi“, sako Speller. Be to, kad veikia tik žemoje temperatūroje, kitiems superlaidininkams veikti dar reikia aukšto slėgio, mažo intensyvumo magnetinio lauko. Perspektyvūs 2008 metais atrasti geležies pagrindo superlaidininkai irgi pasirodė pernelyg trapūs, kad būtų galima iš lengvai padaryti vielą. „Šių medžiagų panaudojimą ribojo medžiagų mokslas, nes su šiomis medžiagomis itin sunku dirbti,“ pažymi Speller.

Superlaidininkais tekančios stiprios elektros srovės sukuria galingus magnetinius laukus, tad jie surado savo pritaikymo nišas. Tarkime, valdant dalelių srautus Didžiajame hadronų greitintuve CERN dalelių fizikos laboratorijoje Ženevoje, ir ligoninių MRI skeneriuose, kuriuose magnetiniais laukais tiriamos kūno audinių struktūros. Bet šie superlaidūs magnetai įprastai gaminami iš niobio-alavo lydinių, skystu heliu atšaldytų iki 4K ar žemesnės temperatūros. Negalėjimas pritaikyti šios technologijos plačiau, švelniai tariant, nuvilia.

Dabar optimizmą gaivina du proveržiai. Vienas susijęs su grafenu, plačiai šlovinama supermedžiaga, sudaryta iš atomo storio anglies lapelių.

2018 metais Pablo Jarillo-Herrero iš MIT vadovaujami tyrėjai pademonstravo, kad sudėjus du grafeno lapelius ir pasukus, jie tampa superlaidūs.

Tai nutinka tik 1,7K temperatūroje, bet svarbiausia, šis superlaidumas, panašu, mėgdžioja kupratų superlaidumo susidarymo mechanizmą.

2020 metais, Artem Mishchenko Manchesterio universitete, JK, atrado kitą anglies medžiagą, mėgdžiojančią kupratų superlaidumą, rombohedralinį grafitą. „Tai yra potencialiai įdomus kaip modelis, padėsiantis suprasti aukštatemperatūrius superlaidininkus,“ sako Mishchenko.

Bet didžiausią jaudulį išprovokavo praėjusių metų gale publikuotas rezultatas. Jo laukti irgi teko ilgi. 1968 metais Cornell universitete Niujorke Neilas Ashcroftas parodė, kad jei pavyktų vandenilį paversti kieta medžiaga, jame turėtų susidaryti superlaidumą lemiančios Cooperio poros.

Ashcroftas savo teorinius tyrinėjimus vykdė ne vieną dešimtmetį ir 2004 metais parodė, kad ekstremalaus slėgio sąlygomis tas pats turėtų galioti ir vandenilio turintiems junginiams, vadinamiems hidridams, gal net kambario temperatūroje.

Tai buvo ne daugiau, nei užuomina. Kad medžiaga taptų superlaidi „reikia kelis skirtingus elementus išdėlioti tinkamose kristalo vietose, tiksliomis proporcijomis“, sako Speller. Tai reiškia, kad reikia patikrinti visą periodinę elementų lentelę.“ Tai adatos ieškojimas šieno kupetoje – nebent turite paieškos strategiją.“

Būtent čia scenoje pasirodė kompiuterinė muskulatūra. 2006 metais medžiagų mokslininkas Chrisas Pickardas iš Kembridžo universiteto parodė, kad paieškas įmanoma paspartinti, teorinius įvairių medžiagų – tarp kurių ir hidridai – modelius į nemokamą paprastą naudoti programinę įrangą meta Ab initio Randomised Structure Searching, sutrumpintai AIRSS.

Taip teoretikai gali tirti vidinę medžiagų struktūrą ir analizuoti jos elektronų elgesį bei koks elektronų-fononų poravimas vyktų, pavyzdžiui, konkrečioje temperatūroje. Geriausios superlaidžios medžiagos tai neparodo, tačiau ar tiriama medžiaga galėtų būti tinkama – spręsti galima. „Kompiuteriniai skaičiavimai yra greitesni ir pigesni už eksperimentavimą,“ sako Eva Zurek, teoretikė iš Niujorko valstijos universiteto Buffale.

Toks būdas pakeitė žaidimo taisykles, sako eksperimentuotojas Mikhail Eremets iš Max Planck chemijos instituto Maince, Vokietijoje.

„Vien intuicija čia neveikia: labai sunku numatyti, kurios medžiagos bus palankios,“ pažymi jis.

2015 m. Eremetsas pasinaudojo programinės įrangos užuominomis ir pasiekė vandenilio sulfido superlaidumą 203,5K, suslėgdamas jį iki 155 gigapaskalių (GPa), tai yra, daugiau nei 1,5 milijono karto labiau, nei yra normalus slėgis Žemės paviršiuje.

Paskui, praėjusių metų spalį, Ranga Dias iš Rochesterio universiteto Niujorke su kolegomis sukūrė medžiagą, kurioje superlaidumas pasireiškia 287K, arba 14°C temperatūroje. Žiemą, su išjungtu centriniu šildymu, tai visai gali būti kambario temperatūra – superlaidumas pirmą kartą pasiektas tokioje temperatūroje.

Diaso komanda medžiagą superlaidžia padarė, suspausdami ją tarp dviejų deimantų 267 GPa slėgiu – panašus yra Žemės branduolyje. Tai labai nepraktiška. Bet svarbiausia, kad medžiaga, panašu, superlaidi tampa dėl įprastinio Cooperio porų mechanizmo, sako Diasas.

Principo įrodymas

Jei taip yra iš tiesų, tuomet tai – ilgai ieškotas įrodymas, kad konvencinis superlaidumas kambario temperatūroje įmanomas, o tai reiškia, kad galime naudoti gerai išvystytus modelius, ieškoti medžiagų, iš kurių galima gaminti praktišką kambario temperatūros superlaidininką. „Teorija, skaičiavimai ir eksperimentai susijungė tinkamu laiku ir tinkamoje vietoje, kad šis proveržis įvyktų,“ sako Pickardas. „Šie rezultatai rodo, kad turime šioms paieškoms būtinus teorinius ir skaičiavimo įrankius.“

Dabar teoretikų dėmesys sutelktas į eksperimentuotojų nukreipimą link panašių medžiagų, turinčių struktūrą, dėl kurios superlaidumas pasireikštų pakankamai žemame slėgyje ir pakankamai aukštoje temperatūroje, ir turėtų tokias pageidaujamas fizikines savybes, plastiškumas ar kalumas.

Diaso naudotą slėgį gali pasiekti tik kelios tyrėjų grupės, bet 100 GPa ar mažesniam slėgiui tokios specializuotos įrangos nereikia. Jei teoretikai galėtų surasti struktūras, tampančias superlaidžiomis 100 GPa ar žemesniame slėgyje, „staiga atsiveria daug platesnė eksperimentuotojų bendruomenė, galinti bandyti ir optimizuoti medžiagas“, sako Pickardas. Jis jau parengė straipsnį, kuriame numatoma 0°C superlaidumo temperatūra medžiagai, kuriai reikia vos 100 GPa slėgio.

Tačiau yra ir kitų kliūčių, norint suvesti Diaso eksperimento rezultatus į modelius: niekas nežino ką jo komanda pagamino.

Diasas pamėgdžiojo Eremetso technikas – jis sako, kad jei už šį darbą būtų suteikta Nobelio premija, ją turėtų gauti Eremetsas – bet suspaudė raganos viralą iš anglies, vandenilio ir sieros. Niekas negali tiksliai pasakyti, kaip susijungė šių medžiagų atomai aukštame slėgyje, ir šiai medžiagai netinka įprastinis rentgeno spindulių difrakcijos metodas, naudojamas nustatyti medžiagos atominę struktūrą: vandenilis yra toks lengvas elementas, kad jo difrakcijos per maža pamatyti. „Stengiamės sukurti naujas technikas, bet kol kas esame kaip ir akli,“ sako Diasas.

Supratę struktūrą ir mechaniką, kaip aukštas slėgis gali sukurti Cooperio porų sąveiką, galėtume atlikti tai žemesniame slėgyje. Viliamasi, kad tokia medžiaga yra „metastabili“ ir atleidus slėgį, nesuyra. Metastabilios medžiagos pavyzdys yra deimantas: jis sukuriamas, itin aukštu slėgiu veikiant anglies atomus, tačiau susiformavęs jis lieka stabilus ir negrįžta į pradinę būseną net ir neslegiamas.

Šaunios idėjos

Metastabilumą patikrinti nelengva: atliekant medžiagos superlaidumo sukėlimo slėgiu eksperimentus, spaudimas paprastai keliamas, kol deimantai subyra ir susimaišo su bandiniu, ir proceso persukti atgal nebegalima. Superlaidumą Iowa'os universitete tyrinėjantis Davidas Johnstonas nėra įsitikinęs, kad atsiradusi Cooperio porų sąveika išliktų, įprastame slėgyje. „Nematau jokių kambario temperatūros superlaidumo vilčių iš tokios sąveikos įprastame slėgyje,“ abejoja jis.

Zurekas mano, kad tolesniam vystymui gali reikėti teorijos, kylančios iš matematikos, o ne medžiagos, kuri turi kai kurias norimas savybes. Tai galėtų mus nuvesti visiškai kita kryptimi. Supratę, kas leido superlaidumui egzistuoti Diaso eksperimente, galėtume tokias įžvalgas pritaikyti konvenciniams, tarkime, niobio-titano ar magnio-diborido superlaidininkams.

„Teorija, skaičiavimai ir eksperimentai susijungė tinkamu laiku ir tinkamoje vietoje, kad šis proveržis įvyktų“

Tai yra naudingos ir naudojamos medžiagos, ir mums nebūtina jų superlaidumo temperatūros kelti virš skysto azoto. Šį aspektą žmonės dažnai ignoruoja, sako Pickardas. „Kartais žmones sunku tuo sudominti – jie trūks plyš nori kambario temperatūros,“ sako jis. Bet pradėti superlaidumo revoliuciją tereikia „pakankamai geros“, santykinai pigios medžiagos, iš kurios nesunku pagaminti vielą ir veikiančios skysto azoto temperatūroje.

To pakaktų, pavyzdžiui, gaminti pigesnius MRI skenerius, kurie taptų prieinamesni medicininei diagnostikai ir žmonių smegenų tyrimams. Tas pats pasakytina ir apie elektros perdavimą. „Šaldymas skystu azotu nebūtų neįveikiama problema galios linijoms,“ sako Speller. Superlaidžiuose laiduose srovės tankis toks didelis, kad aukštos įtampos kabeliai galėtų būti daug plonesni, nei įprasta. Ji pažymi, kad „gan lengva“ jiems padaryti termoso tipo apvalkalus, kad skystas azotas pernelyg greitai neišgaruotų.

Porą pastarųjų metų teorija, skaičiavimo pajėgumai ir eksperimentai teikia rezultatus vienas kitam ir padeda rasti tinkamą medžiagą, ir tai tik į gera, sako Pickardas. „Kuo daugiau žmonių, turinčių skirtingas idėjas, tuo daugiau galimybių, kad kas nors kur nors šieno kupetoje adatą aptiks.“ Šįkart Vudstoko stiliaus euforijos gali nebūti, bet lengvėjant pastangoms, superlaidumo revoliucija išties gali būti pasiekiama ranka.

Michael Brooks
www.newscientist.com