Superprovodljivi materijali mogli bi donijeti revoluciju u elektronici – kada ne bi bili toliko zahtjevni.
Dovođenje materijala u ovo stanje, u kojem električna struja protiče potpuno bez otpora, zahtijeva ili izuzetno niske temperature ili izuzetno visoke pritiske, ili oboje.
To znači da bi sve prednosti koje bi se mogle ostvariti u stvarnom svijetu – poput električnih vozila koja se pune gotovo trenutno – bile poništene potrebom da u automobilu imate kriogeni zamrzivač ili ćeliju s dijamantnim nakovnjem.
Međutim, naučnici su sada korak bliže stvaranju superprovodljivih materijala koji rade pri temperaturama i pritiscima bliskim svakodnevnim uslovima.
Rekord nakon višedecenijskog zastoja
Tim koji predvode fizičari s Univerziteta u Houstonu upravo je postavio novi svjetski rekord u superprovodljivosti, ostvarivši najvišu temperaturu pri atmosferskom pritisku.
Ta temperatura možda ne zvuči naročito visoko – minus 122,15 stepeni Celzijusa (minus 187,87 stepeni Fahrenheita) – ali je izuzetno visoka u poređenju s uobičajenim zahtjevom da temperatura bude tek neznatno iznad apsolutne nule (minus 273,15 stepeni Celzijusa).
Novi rekord također pomaže da se prekine višedecenijski zastoj u istraživanju superprovodljivosti, piše Science Alert.
„Ovo je veliki korak ka praktičnim superprovodnicima koji rade na sobnoj temperaturi i pri atmosferskom pritisku“, rekao je Hua Zhou, fizičar iz Nacionalne laboratorije Argonne u Sjedinjenim Američkim Državama.
„S obzirom na to da ovaj materijal ostaje superprovodljiv pri normalnom pritisku, naučnici ga mogu proučavati pomoću široko dostupnih instrumenata i početi razvijati tehnologije koje funkcionišu u svakodnevnim uslovima.“
Kako su došli do velikog otkrića
Materijal o kojem je riječ pripada grupi bakarnih oksidnih superprovodnika, poznatih kao kuprati, koji se sastoje od slojeva bakarnog oksida između kojih se nalaze drugi metalni oksidi. U ovom slučaju to su živa, barij i kalcij.
Ova posebna formulacija poznata je kao Hg1223 i od 1993. godine držala je rekord za superprovodnik s najvišom temperaturom pri atmosferskom pritisku. Taj rekord iznosio je minus 140,15 stepeni Celzijusa.
Kako bi poboljšali taj rezultat, istraživači su primijenili postupak poznat kao „gašenje pritiskom“ (pressure-quenching). Najprije je Hg1223 bio izložen pritisku do 30 gigapaskala u ćeliji s dijamantnim nakovnjem. To je gotovo 300.000 puta veći pritisak od onoga kojem smo izloženi na nivou mora.
Međutim, taj pritisak bio je samo privremen.
Nakon toga pritisak je vrlo brzo oslobođen, što je uzrokovalo da materijal postane metastabilan – stanje koje omogućava da zadrži dio svojih kvantnih svojstava bez potrebe za održavanjem ekstremnog pritiska.
Jedan od najpoznatijih primjera metastabilnog materijala možda upravo nosite na ruci.
Dijamanti nisu ništa drugo nego ugljik koji je bio izložen ogromnom pritisku duboko u unutrašnjosti Zemlje, ali zadržavaju svoju novu strukturu i nakon što dospiju na površinu.
Kada su materijali izloženi visokim pritiscima, atomi se doslovno sabijaju bliže jedni drugima i formiraju nove rasporede. Ako se pritisak oslobađa postepeno, atomi se vraćaju u svoju uobičajenu strukturu, ali brzo oslobađanje pritiska dovodi do stvaranja sitnih nepravilnosti u materijalu.
Upravo te nepravilnosti, čini se, omogućavaju da Hg1223 ostane superprovodljiv na višim temperaturama, čak i kada se pritisak vrati na atmosferski nivo.
Posebna svojstva materijala potvrđena su analizom pomoću sistema Advanced Photon Source (APS), snažnog rendgenskog lasera u laboratoriji Argonne koji može precizno pratiti mikroskopske promjene u materijalu.
Ogromna korist za prijenos električne energije, električna vozila, levitaciju
Hg1223 nije superprovodnik koji radi na najvišoj temperaturi ikada napravljen. Taj rekord pripada uzorku lantan-dekahidrida, koji je ostao superprovodljiv sve do minus 13,15 stepeni Celzijusa, temperature koja se može postići u kućnom zamrzivaču.
Ono što se, međutim, ne može postići kod kuće jesu pritisci od 190 gigapaskala, uporedivi s pritiskom u vanjskom jezgru Zemlje. U poređenju s tim, pritisak od 30 gigapaskala potreban za Hg1223 djeluje znatno umjerenije.
Dugoročna nada je da jednog dana možda više neće biti potrebno praviti takav kompromis. Superprovodljivost pri sobnoj temperaturi i atmosferskom pritisku mogla bi donijeti ogromne koristi za skladištenje i prijenos električne energije, električna vozila, pa čak i levitaciju.
Naravno, te primjene još su daleko, ali svaki novi korak približava naučnike tom cilju.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences.