Przepływ prądu bez najmniejszego oporu, zero strat cieplnych, energia przesyłana z niemal absolutną sprawnością – to nie scenariusz filmu science fiction, a cel, do którego właśnie przybliżyli się naukowcy z jednego z najważniejszych laboratoriów w Stanach Zjednoczonych. Badacze z Laboratorium Narodowego Argonne, należącego do Departamentu Energii USA, odkryli, w jaki sposób drobne zmiany w strukturze materiałów zwanych superwodorkami umożliwiają nadprzewodnictwo w temperaturach bliskich pokojowej – choć przy ekstremalnym ciśnieniu. To przełom, który dostarcza konkretnych wskazówek do projektowania bardziej praktycznych nadprzewodników przyszłości.
Nadprzewodniki to materiały pozwalające na przepływ energii elektrycznej bez oporu – żadna energia nie jest tracona w postaci ciepła. Właściwość ta czyni je niezastąpionymi w technologiach takich jak skanery MRI, akceleratory cząstek, pociągi na poduszce magnetycznej czy systemy przesyłu energii. Problem polega na tym, że większość nadprzewodników działa wyłącznie w ekstremalnie niskich temperaturach – często setki stopni poniżej zera Fahrenheita. Utrzymanie materiałów w tak ekstremalnych warunkach wymaga złożonych i kosztownych systemów chłodzenia, co drastycznie ogranicza zakres ich zastosowania.
Superwodorki – materiały, które zmieniają reguły gry
Naukowcy z Argonne uzyskali nowy wgląd w klasę materiałów zwanych superwodorkami, które mogą stać się nadprzewodzące w znacznie wyższych temperaturach – około 10 stopni Fahrenheita, czyli minus 12 stopni Celsjusza. To wciąż daleko od komfortowej temperatury pokojowej, ale w porównaniu z setkami stopni poniżej zera stanowi rewolucyjny skok.
W ramach badania zespół kierowany przez Hemleya sprawdzał, czy zmiana składu chemicznego materiału mogłaby obniżyć ciśnienie wymagane do uzyskania nadprzewodnictwa. Dodali niewielką ilość itru do superwodorku lantanu, aby uczynić go bardziej stabilnym i zmniejszyć wymagane ciśnienie.
„Aby osiągnąć te ekstremalne ciśnienia, ścisnęliśmy maleńką próbkę między dwoma diamentami” – wyjaśnił Maddury Somayazulu, fizyk z APS. Zastosowane kowadełko diamentowe może generować ciśnienie rzędu pięciu milionów atmosfer.
CYNICZNYM OKIEM: Ściskanie atomów między diamentami przy ciśnieniu pięciu milionów atmosfer to taka „praktyczna technologia przyszłości”, którą na razie praktycznie zastosować mogą jedynie fizycy z nieograniczonym budżetem.
Po uformowaniu materiału nadprzewodzącego pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze zespół wykorzystał wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie ze zmodernizowanego źródła fotonów APS do zbadania jego struktury.
„Skupiliśmy intensywną wiązkę rentgenowską na próbce o grubości zaledwie kilku mikrometrów i szerokości około dziesięciu do dwudziestu mikrometrów” – powiedział Vitali Prakapenka, naukowiec linii badawczej i profesor badawczy na Uniwersytecie w Chicago. Dla zobrazowania skali – jeden mikrometr to około jednej siedemdziesiątej grubości ludzkiego włosa.
Drobne różnice atomowe, ogromne konsekwencje
Pomiary tej precyzji stały się możliwe dzięki niedawnej modernizacji APS. Jaśniejsza i bardziej skupiona wiązka rentgenowska pozwoliła badaczom studiować ekstremalnie małe próbki przy jednoczesnej zmianie ciśnienia.
„Wiązka ta pozwoliła nam odseparować sygnały pochodzące z samej maleńkiej próbki od tych płynących z otaczających materiałów i diamentowych kowadełek” – dodał Prakapenka.
Kluczowe odkrycie zespołu dotyczy tego, że niewielkie różnice w ułożeniu atomów w sieci krystalicznej mogą silnie wpływać na nadprzewodnictwo. Zidentyfikowano dwie różne struktury krystaliczne, z których każda staje się nadprzewodząca w nieco innej temperaturze.
„Te eksperymenty pokazują, co potrafi zmodernizowane APS. Możemy teraz badać struktury na poziomie atomowym z bezprecedensową szczegółowością w materiałach pod ekstremalnym ciśnieniem” – podsumował Somayazulu.
CYNICZNYM OKIEM: Ludzkość od dekad marzy o nadprzewodnikach pokojowych. Na razie udało się zejść z minus dwustu do minus dwunastu stopni – w tym tempie nasze wnuki może zdążą naładować telefon bez strat.
Choć ciśnienia stosowane w eksperymentach są nadal bardzo wysokie – około 1,4 miliona razy wyższe niż ciśnienie atmosferyczne – naukowcy postrzegają to jako etap dłuższej drogi. Zespół dodaje kolejne elementy chemiczne, aby jeszcze bardziej obniżyć ciśnienie, dążąc do tego, by materiały te w końcu stały się praktyczne w codziennym użyciu. Droga od laboratorium do gniazdka w ścianie jest jeszcze daleka, ale kierunek po raz pierwszy wydaje się wyraźnie wytyczony.
