Frekvenca X

V iskanju superprevodnikov, tehnološkega svetega grala

Kaj so superprevodniki, kaj z njimi zmoremo že danes in kaj si lahko z njihovo izpopolnitvijo obetamo? Kličemo tudi enega od avtorjev študije, ki so jo lani uvrstili med ključne znanstvene preboje leta

Actual DAC
Diamanatni konici
foto: Foto J. Adam Fenster / Univerza Rochester

Lani je odmevala novica, da je raziskovalcem prvič v zgodovini uspelo doseči superprevodno stanje pri sobni temperaturi, resda pa pri izjemno visokem tlaku, zaradi česar odkritje za zdaj ostaja akademski dosežek brez perspektive za praktično uporabo.

Superprevodnost je lastnost snovi, da prevaja električni tok brez vsakršnih izgub. Izolatorji električnega toka ne prevajajo, običajni prevodniki pa prevajajo z izgubami, ki se kažejo kot segrevanje. Pri zelo nizkih temperaturah pa nekateri elementi in spojine izgubijo upor, zato bi v njih tok lahko tekel neskončno in na neomejene razdalje.

Kako temperature vplivajo na superprevodnost snovi?

Kritična temperatura, pri kateri snovi izgubijo upor in postanejo superprevodne, se močno razlikuje, so pa te temperature po večini nizke. Za živo srebro je pri –269 °C, železo pa nikoli ne postane superprevodno. Znanstveniki že sto let iščejo materiale, ki bi bili superprevodni pri čim višji temperaturi. Za zdaj je treba superprevodnike ohlajati na zares nizke temperature. Takšna drastična ohlajanja predstavljajo zelo velik problem. Zato si raziskovalci že desetletja prizadevajo iskati materiale, ki bi bili superprevodni pri višjih temperaturah, ob čemer morajo po drugi strani popuščati z visokimi tlaki. Takšni materiali so izpostavljeni res neverjetnim tlakom in tudi laboratoriji, kjer jih skušajo poustvariti, niso kar tako.

"Tako visoke tlake dosežeš tako, da material stisneš med dva diamanta, ki sta dobro brušena. Problem je, če ne boste natančno pripravili eksperimenta, bodo diamanti na pol poti počili. Treba je ponavljati eksperiment. Seveda pa se ti podajajo na popolnoma neraziskana področja." – dr. Denis Arčon

Blizu odkritju superprevodnikov pri sobni temperaturi in sobnem tlaku

Raziskovalcem je končno uspelo prebiti magično mejo nič stopinj Celzija, pri skoraj 15 stopinjah Celzija so spojino ogljika, vodika in žvepla pod izjemno visokim tlakom pripravili do tega, da je kazala lastnosti superprevodnika.

"Zelo blizu smo temu, da odkrijemo superprevodnike, ki bi se obnesli tako pri sobni temperaturi kot sobnem tlaku. In če bi jih začeli množično proizvajati, lahko govorimo o treh glavnih načinih uporabe: v medicinski diagnostiki, transportu, pri čemer bi lahko končno govorili o dejanski uporabi vlakov na magnetno lebdenje, kar bi drastično spremenilo način transporta v prihodnosti. Tretja možnost uporabe je prenos električne energije na daljavo. S prenosom energije po njih bi prihranili ogromno tako s stališča energije kot denarja." – dr. Ranga Dias

Od superprevodnikov si veliko obetajo tudi prihodnji kvantni računalniki, pospeševalniki delcev, fuzijski reaktorji in nenazadnje se med superprevodniki znajdemo vsakič, ko se odločimo za slikanje z magnetno resonanco. V resnici je material, ki ga ta hip uporabljajo v laboratoriju dr. Range Diasa, preprosta spojina ogljika, vodika in žvepla, pri čemer točna struktura materiala še vedno ni znana. Imajo superprevodnik, ki je obstojen pri 14 stopinjah Celzija, a nihče ne ve, kako točno je videti tak material.

"Zelo dobro poznamo izvorni vzorec, preden smo ga izpostavili visokemu tlaku, o samih strukturnih lastnostih superprevodnika, ki ga smo iz tega dobili, pa vemo zelo malo. Za to si ta hip prizadevamo. Problem se pojavi, ker vodika torej ne vidite zares in ne morete določiti strukture. Podobno velja za ogljik in žveplo. Žveplo se malce vidi, ogljik pa je spet lahek element in pri rentgenski difrakciji ne daje uporabnih rezultatov, iz katerih bi lahko sklepali o strukturi. To nas je oviralo pri določitvi strukture. Po drugi strani govorimo tudi o velikanskem tlaku, velikost vzorca pa je zelo majhna in tudi to zelo otežuje karakterizacijo materiala." – dr. Ranga Dias

Prihodnost in novi potencialni superprevodniki, delujoči pri sobnem tlaku

"Mislim, da je iluzorno pričakovati, da bi tak superprevodnik pri takih pogojih lahko izkoriščali. Imajo pa drug pomen – dokažejo, da je superprevodnosti mogoče doseči ob primernih robnih pogojih in da tega kvantna mehanika ne omejuje. Naslednji korak pa je seveda, kako na neki način simulirati te visoke tlake. Razvoj bo poleg te smeri – da se bodo igrali še z drugimi elementi in plini lahkih elementov – poskusiti realizirati visoke tlake v urejenih geometrijah – temu rečejo kemijski tlak. Če bi jim s pametnim načrtovanjem materialov tukaj uspelo simulirati visoke tlake, bi bil to zelo pomemben preboj." – dr. Denis Arčon

Gosta tokratne oddaje Frekvenca X sta bila najprodornejši raziskovalec na tem področju v Sloveniji dr. Denis Arčon z inštituta Jožefa Stefana v Ljubljani in soavtor lani odmevne študije v reviji Nature dr. Ranga Dias z ameriške univerze Rochestra.