Našli kľúč k vysokým teplotám supravodivosti?

Objav našich vedcov by nás mohol míľovými krokmi posunúť bližšie k  supravodivosti pri izbovej teplote, čo by malo obrovský význam. Kde všade by sa to dalo využiť a čo to bude pre nás znamenať? Možno veľmi veľa. Čítajte ďalej.

Supravodič je materiál s výnimočnými elektrickými a magnetickými vlastnosťami ako z rozprávky. Predstavme si elektrický prúd tečúci supravodivým káblom nekonečne dlho. Kábel sa pritom vôbec nezohrieva, a to sa ním prenáša 5-násobne viac energie, ako v obyčajnom elektrickom kábli. Alebo si predstavme superrýchle vlaky vznášajúce sa nad zemou, ktoré si uháňajú krajinou s rýchlosťou takmer 600 km/h. Nie menej lákavá je aj predstava o supervýkonnom kvantovom počítaci, ktorý spracúva obrovské množstvo informácií súčasne. Nepochybne najvýznamnejšia doterajšia aplikácia supravodičov sa nachádza v medicíne. Diagnostická metóda MRI (čiže zobrazovanie magnetickou rezonanciou), ktorá odhaľuje najmenšie patologické zmeny v ľudskom organizme bez jeho narušenia, pomáha denne zachraňovať množstvo životov na celom svete.  

Problémom je príliš nízka teplota. Zmení sa to?
Znie to všetko super, lenže ma to jeden veľký háčik. Supravodivosť vieme dosiahnuť len pri extrémne nízkych teplotách, a preto si všetky tieto prístroje vyžadujú neustále kryogénne chladenie. To je súčasne najväčší dôvod, prečo sme v našich domácnostiach ešte stále nevymenili bežné elektrické káble za tie supravodivé. Situácia by sa radikálne zmenila, ak by sme objavili materiál, ktorý by bol supravodivý pri bežnej izbovej teplote. Lenže ako na to? To nie je vôbec jasné, pretože supravodivosti ešte stále úplne nerozumieme. Inými slovami, nemáme vedeckú teóriu, ktorá by so stopercentnou úspešnosťou predpovedala, či daný materiál bude alebo nebude supravodivý. Preto sú vedci pri ich hľadaní odkázaní na metódu pokus-omyl, pričom sa opierajú o podobnosti s tými, ktoré už poznajú.

Z tohto hľadiska sú najvýznamnejšiu rodinou doteraz objavených supravodičov keramické materiály na baze medi a kyslíka. Ide o najväčšiu skupinu materiálov, ktoré dosahujú supravodivý stav pri teplotách približujúcich sa teplote tekutého dusíka (= 77 K). Vo svete supravodivosti ide o neobyčajne vysoké teploty, preto sa im hovorí vysokoteplotné keramické supravodiče. Ich obrovský význam tkvie hlavne v tom, že všetky materiály, ktoré tvoria túto skupinu, majú tie isté charakteristické črty. Vedci sa domnievajú, že dosiahnutie tých istých charakteristických čŕt v iných materiáloch povedie k objavu novej rodiny supravodičov. A majú už aj horúceho kandidáta.Je ním kryštál zložený z atómových vrstiev striebra a fluóru, tzv. fluorid striebornatý AgF₂.

Medzinárodný tím, ktorý pozostáva z výskumníkov z MTF STU, viacerých krajín EÚ a USA, sa dlhodobo venuje výskumu materiálov zo striebra a fluóru. V najnovšej štúdii poukázali na to, že materiály tvorené vhodnou kombináciou týchto prvkov sú nápadne podobné keramickým vysokoteplotným supravodičom. Ba čo viac, majú potenciál ich prekonať. V januári tohto roka vedci predstavili svojho najnovšieho horúceho kandidáta, ktorý má potenciál prekročiť rekordne vysoké teploty supravodivosti keramických supravodičov. Ich štúdiu zverejnil prestížny časopis Americkej akadémie vied PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America).

Fotografiaznázorňuje detail na časť polykryštalickej vzorky AgF₂, horúceho kandidáta na prekurzor novej rodiny vysokoteplotných supravodičov (zdroj: Centrum nových technológii Varšavskej univerzity).

Vedci hľadali nový vrstevnatý materiál, ktorého atómové vrstvy by pripomínali šachovnicu, pretože taká atómová šachovnica je charakteristickou štrukturálnou črtou vysokoteplotných keramických supravodičov. Je tvorená atómami medi a kyslíka (obrázok nižšie). Keď ju našli v materiáli vytvoreného zo striebra a fluóru (AgF₂), zamerali sa na správanie sa elektrónov v nej. Zistili, že tie sa správajú veľmi podobne ako v supravodivých keramických materiáloch, teda ako malé magnety, ktoré sa extrémne silno priťahujú. Najväčším povzbudením ale je, že tieto interakcie sú oveľa silnejšie, ak sa vrstvy ešte viac vyrovnajú, keďže v materiáli AgF₂sú pokrčené. Vedci veria, že pravé takéto obrovské magnetické interakcie vo vrstevnatých materiáloch sú kľúčom k vysokým teplotám supravodivosti. AgF₂je prvý vážny kandidát, v ktorom sa po dopovaní očakáva dosiahnutie vyššej teploty supravodivosti ako v dnes už preslávených keramických supravodičoch.

Viac detailov sa môžete dočítať vo vedeckom časopise PNAS Silver route to cuprate analogs(DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1812857116).

Autor textu: doc. Ing. M. Derzci, PhD. (Materiálovotechnologická fakulta STU)