Augstas temperatūras supravadītspējas rekords atkal ir sagrauts

Supravadītspēja ir dīvaina nulles elektriskās pretestības parādība, kas rodas, kad daži materiāli tiek atdzesēti zem kritiskās temperatūras. Labākie supravadītāji ir jāatdzesē ar šķidru hēliju vai slāpekli, lai tie darbotos pietiekami auksti (bieži pat līdz -250 °C vai -480 F). Pētnieku svētais grāls ir ideja, ka materiālu varētu padarīt supravadītspējīgu aptuveni 0 °C temperatūrā — tā sauktā istabas temperatūras supravadītspēja. Ja kaut kas tāds tiktu atklāts, tas atbrīvotu plašu jaunu tehnoloģiju klāstu, tostarp īpaši ātrus datorus un datu pārraidi.

Supravadītspējas vēsture ir pilna ar apšaubāmiem apgalvojumiem par aktivitāti augstā temperatūrā, kas vēlāk izrādās neiespējami reproducēt. Patiešām, fiziķiem ir nosaukums: USO jeb neidentificēti supravadoši objekti.

Tāpēc jauni apgalvojumi par supravadītspēju augstā temperatūrā ir jāizturas piesardzīgi. To sakot, šodienas ziņas, ka ir sagrauts augstas temperatūras supravadītspējas rekords, ir vērts aplūkot sīkāk.

Darbs nāk no Mihaila Eremeta un kolēģu laboratorijas Max Planck Ķīmijas institūtā Maincā, Vācijā. Eremets un viņa kolēģi saka, ka ir novērojuši lantāna hidrīda (LaH10) supravadīšanu 250 K jeb –23 °C temperatūrā.

Tas ir siltāks par pašreizējo temperatūru Ziemeļpolā. Mūsu pētījums ir lēciens uz priekšu ceļā uz supravadītspēju istabas temperatūrā, saka komanda. (Brīdinājums ir tāds, ka paraugam ir jābūt zem milzīga spiediena: 170 gigapaskāli jeb apmēram puse no spiediena Zemes centrā.)

Eremetam šajā jomā ir diezgan iespaidīgi ciltsraksti. Ilggadējie šī emuāra lasītāji atcerēsies, kad viņš 2014. gadā pārspēja iepriekšējo augstas temperatūras supravadītspējas rekordu . Toreiz viņa komanda spēja izmērīt supravadīšanas aktivitāti sērūdeņražā –80 °C temperatūrā, kas ir par aptuveni 10 grādiem siltāka nekā jebkurš cits materiāls. Vēlāk viņš to paaugstināja līdz –70 °C un publicēja darbu Nature, izpelnoties milzīgu atzinību.

Taču fiziķus satriecošais pārsteigums bija supravadošā materiāla raksturs.

Supravadītspēja ir labi saprotama parastajos supravadītājos, kas ir stingras pozitīvo jonu režģi, kas peld elektronu okeānā. Elektriskā pretestība rodas, kad elektroni, kas pārvietojas pa režģi, tiek palēnināti, ietriecoties tajā, savukārt supravadītspēja rodas, kad režģis tiek atdzesēts līdz vietai, kur tā kļūst pietiekami stingra, lai caur to varētu izplūst mehāniski skaņas viļņi jeb fononi. Šie viļņi, ceļojot, deformē režģi. Un elektroni var sērfot uz šīs deformācijas.

Faktiski zemā temperatūrā elektroni saista viens ar otru, veidojot tā sauktos Kūpera pārus. Un tieši šie Kūperu pāri, kas sērfo pa režģi, veido supravadītspēju.

Paaugstinoties temperatūrai, Kūpera pāri sadalās un supravadītspēja apstājas. Šīs izmaiņas notiek pie tā sauktās kritiskās temperatūras.

Pirms 2014. gada augstākā kritiskā temperatūra šāda veida supravadītspējai bija aptuveni 40 K jeb –230 °C. Patiešām, daudzi fiziķi uzskatīja, ka šāda veida supravadītspējai nav iespējams darboties augstākā temperatūrā.

Tāpēc Eremetsa paziņojums bija tik neparasts — sērūdeņradis ir parasts supravadītājs, kas uzvedas tā, kā daudzi cilvēki domāja par neiespējamu.

(1986. gadā fiziķi atklāja pilnīgi citu supravadītspējas veidu keramikas materiālos 180 K vai –90 °C temperatūrā. Tas joprojām nav labi saprotams, un temperatūras paaugstināšanā ir panākts neliels progress.)

Eremetsa atklājums izraisīja drudžainu teorētisko darbību, lai izskaidrotu, kā notiek supravadītspēja. Vienprātība ir tāda, ka sērūdeņražā ūdeņraža joni veido režģi, kas pārvadā Kūpera pārus ar nulles pretestību, kad temperatūra nokrītas zem kritiskā līmeņa.

Tas var notikt augstā temperatūrā, jo ūdeņradis ir tik viegls. Tas nozīmē, ka režģis var vibrēt lielā ātrumā un līdz ar to augstā temperatūrā. Bet arī režģim ir stingri jāturas vietā, lai vibrācijas to nesarauj. Tāpēc supravadītspēja darbojas tikai pie augsta spiediena.

Kopš tā laika ir veikts ievērojams teorētisks un skaitļošanas darbs, lai prognozētu citus materiālus, kas šādā veidā varētu vadīties augstā temperatūrā. Viens no iespējamiem kandidātiem ir bijis lantāna hidrīds, pie kura strādājuši Eremets un citi.

Atklājums, ka tā supravada 250 K temperatūrā, ir uzvara ne tikai Eremetam un viņa komandai, bet arī teorētiskajām metodēm, kas to paredzēja. Šis lēciens par ~ 50 K no iepriekšējā rekorda 203 K norāda uz reālu iespēju tuvākajā nākotnē sasniegt istabas temperatūras supravadītspēju (tas ir, pie 273 K) pie augsta spiediena, saka Eremets un co.

Tomēr priekšā vēl ir kāds darbs. Fiziķiem ir nepieciešami trīs atsevišķi pierādījumi, lai pārliecinātos, ka supravadītspēja patiešām notiek. Pirmais ir raksturīgais pretestības kritums, temperatūrai pazeminoties. Eremetam tas ir.

Otrais ietver parauga elementu aizstāšanu ar smagākiem izotopiem. Tas liek režģim vibrēt ar atšķirīgu ātrumu un attiecīgi maina kritisko temperatūru. Šie pierādījumi ir arī Eremets un citiem, jo ​​viņi savos paraugos ir aizstājuši ūdeņradi ar deitēriju un redzējuši, ka kritiskā temperatūra nokritās līdz 168 K, kā paredzēts.

Trešo pierādījumu daļu sauc par Meisnera efektu: supravadītājam vajadzētu izspiest jebkuru magnētisko lauku. Tieši šeit Eremets un viņa kolēģi ir cīnījušies. Viņu paraugi ir tik mazi — tikai dažus mikrometrus pāri un atrodas augstspiediena dimanta laktas šūnās —, ka pētnieki vēl nav spējuši to tieši izmērīt, lai gan viņiem ir daži citi magnētiski pierādījumi.

Bez šī pēdējā paraksta fiziķi var atturēt viņu apskāvienu. Taču komanda noteikti smagi strādā, lai to ražotu.

Pa to laiku darbs paver dažas acīmredzamas citas iespējas, kuras izmantot. Aprēķinu modeļi liecina, ka itrija superhidrīdi var vadīt supravadītāju temperatūrā virs 300 K — patiesi istabas temperatūrā (lai gan tikai spiedienā, kas biežāk sastopams Zemes centrā).

Tātad vienas vai otras formas istabas temperatūras supravadītāji var nebūt tālu. Tad jautājums būs par to, kā tos vislabāk izmantot.

Atsauce: arxiv.org/abs/1812.01561 : supravadītspēja pie 250 K lantāna hidrīdā zem augsta spiediena

paslēpties