Supravadītājs, kas darbojas Zemes temperatūrā

Supravadītspējas pasaulē valda satraukums. Pagājušajā gadā Mihails Eremets un pāris draugi no Maksa Planka Ķīmijas institūta Maincā, Vācijā, izteica neparastu apgalvojumu, ka viņi ir redzējuši sērūdeņraža supravadīšanu -70 °C temperatūrā. Tas ir par aptuveni 20 grādiem karstāks nekā jebkurš cits materiāls — milzīgs pieaugums salīdzinājumā ar pašreizējo rekordu.

Šī emuāra sekotāji to darīs par šo darbu izlasīju pagājušā gada decembrī , kad tas pirmo reizi tika publicēts arXiv. Toreiz fiziķi bija piesardzīgi attiecībā uz darbu. Supravadītspējas vēsture ir pilna ar apšaubāmiem apgalvojumiem par aktivitāti augstā temperatūrā, kas vēlāk izrādās neiespējami reproducēt.

Bet kopš tā laika Eremets un viņa kolēģi ir smagi strādājuši, lai iegūtu pēdējos pārliecinošos pierādījumus. Pirms dažām nedēļām viņu raksts beidzot tika publicēts recenzētajā žurnālā Daba , piešķirot tai cienījamo gumijas zīmogu, ko pieprasa galvenā fizika. Pēkšņi virsrakstos atkal parādās supravadītspēja.

Šodien Antonio Bianconi un Thomas Jarlborg Romas Starptautiskajā Materiālzinātnes Superstripes centrā Itālijā sniedz pārskatu par šo aizraujošo jomu. Šie puiši sniedz pārskatu par Eremet un co atklājumu un teorētisko darbu, kas mēģina to izskaidrot.

Pirmkārt, nedaudz fona. Supravadītspēja ir nulles elektriskās pretestības parādība, kas rodas dažos materiālos, kad tie tiek atdzesēti zem kritiskās temperatūras.

Šī parādība ir labi saprotama parastajos supravadītājos, kas būtībā ir stingras pozitīvo jonu režģi, kas peld ar elektronu jūru. Elektriskā pretestība rodas tāpēc, ka elektroni ietriecas šajā režģī un zaudē enerģiju, pārvietojoties pa to.

Tomēr zemā temperatūrā elektroni var savienoties viens ar otru, veidojot Kūpera pārus. Tajā pašā laikā režģis kļūst pietiekami stingrs, lai nodrošinātu saskaņotu viļņu kustību, ko sauc par fononiem.

Supravadītspēja rodas, kad Kūpera pāri un fononi kopā pārvietojas pa materiālu, viļņiem būtībā atbrīvojot ceļu elektronu pāriem. Un tas sabojājas, kad vibrācijas režģī — tā temperatūra — kļūst pietiekami spēcīgas, lai sadalītu Kūpera pārus. Tā ir kritiskā temperatūra.

Vēl nesen augstākā šāda veida kritiskā temperatūra bija aptuveni 40 kelvini jeb -230 grādi.

Būtībā ir trīs raksturlielumi, kurus fiziķi meklē kā pierādījumu materiāla supravadītspējai. Pirmais ir pēkšņs elektriskās pretestības kritums, kad materiāls tiek atdzesēts zem šīs kritiskās temperatūras. Otrais ir magnētisko lauku izraidīšana no materiāla iekšpuses, parādība, kas pazīstama kā Meisnera efekts.

Trešais ir kritiskās temperatūras izmaiņas, kad atomi materiālā tiek aizstāti ar izotopiem. Tas ir tāpēc, ka izotopu masas atšķirība izraisa režģa atšķirīgu vibrāciju, kas maina kritisko temperatūru.

Bet ir vēl viens supravadītspējas veids, kas ir daudz mazāk saprotams. Tas attiecas uz dažām keramikas vielām, kas atklātas 1980. gados un kuras ir supravadītas līdz aptuveni -110 grādu temperatūrai. Neviens īsti nesaprot, kā tas darbojas, taču liela daļa supravadītspējas kopienas pētījumu ir vērsta uz šiem eksotiskajiem materiāliem.

Visticamāk, Eremeta un viņa līdzcilvēku darbs to mainīs. Varbūt lielākais pārsteigums par viņu izrāvienu ir tas, ka tajā nav iesaistīts augstas temperatūras supravadītājs. Tā vietā sērūdeņradis ir parasts supravadītājs, kāds nekad nav redzēts darbojoties temperatūrā, kas pārsniedz aptuveni 40 kelvinus.

Eremets un kolēģi panāca savu viltību, saspiežot materiālu līdz tādam spiedienam, kāds pastāv tikai zemes centrā. Tajā pašā laikā viņiem ir izdevies atrast pierādījumus par visām svarīgajām supravadītspējas īpašībām.

Kamēr viss šis eksperimentālais darbs turpinās, teorētiķi ir raustījuši galvu, kā to izskaidrot. Daudzi fiziķi uzskatīja, ka ir kāds teorētisks iemesls, kāpēc parastie supravadītāji nevar darboties virs aptuveni 40 kelviniem. Bet patiesībā teorijā nekas neaizkavē supravadītspēju augstākā temperatūrā.

Patiešām, pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados britu fiziķis Nīls Eškrofts paredzēja, ka ūdeņradim vajadzētu būt spējīgam vadīt supravadītāju augstā temperatūrā un spiedienā, iespējams, pat istabas temperatūrā. Viņa ideja bija tāda, ka ūdeņradis ir tik viegls, ka tam jāveido režģis, kas spēj vibrēt ļoti augstās frekvencēs un līdz ar to arī supravadīt augstā temperatūrā un spiedienā.

Šķiet, ka Eremeta un viņa atklājums ir šīs idejas attaisnojums. Vai vismaz kaut kas tamlīdzīgs. Ir daudzas teorētiskas krokas, kas ir jānogludina, pirms fiziķi var teikt, ka viņiem ir pienācīga izpratne par notiekošo. Šis teorētiskais darbs turpinās.

Tagad notiek sacensības, lai atrastu citus supravadītājus, kas darbojas vēl augstākā temperatūrā. Viens daudzsološs kandidāts ir H3S (pretstatā H2S, ar kuru Eremets sākotnēji strādāja).

Un, protams, fiziķi sāk domāt par lietojumiem. Šī materiāla izmantošanai ir daudz problēmu, jo īpaši tāpēc, ka tas supravadītājā formā pastāv tikai nelielos paraugos augstspiediena laktās.

Bet tas nav atturējis cilvēkus spekulēt. Šis atklājums ir būtisks ne tikai materiālu zinātnē un kondensētajā matērijā, bet arī citās jomās, sākot no kvantu skaitļošanas līdz dzīvās vielas kvantu fizikai, saka Bjankoni un Jarlborga. Viņi arī liek domāt, ka šis supravadītājs darbojas temperatūrā, kas ir par 19 grādiem augstāka nekā aukstākā temperatūra, kas jebkad reģistrēta uz Zemes.

Tas padara šo jomu par aizraujošu, un par kuru mēs, visticamāk, dzirdēsim daudz vairāk nākamajos mēnešos un gados.

Atsauce: arxiv.org/abs/1510.05264 : supravadītspēja virs zemākās zemes temperatūras zem spiediena sēra hidrīdā

paslēpties