Jednym z gorących wspomnień naukowych ubiegłego lata jest informacja o odkryciu nadprzewodnictwa w związku LK-99 zachodzącego w temperaturach pokojowych i w normalnym ciśnieniu atmosferycznym.
Dokładnie 22 lipca 2023 roku południowokoreańscy naukowcy, pod kierunkiem Sukbae Lee i Ji-Hoon Kima, umieścili w bazie prac arXiv dwie publikacje o numerach arXiv:2307.12008 i arXiv:2307.12037. Jak wynika z ich lektury, związek o wzorze chemicznym Pb
Gdyby to była prawda… Naukowczynie i naukowcy z całego świata natychmiast ruszyli do swoich laboratoriów i komputerów, aby sprawdzić, czy rzeczywiście LK-99 ma tak unikatową własność. Do dziś, 1 listopada 2023 r., w bazie arXiv jest już 50 prac zawierających nazwę LK-99 w streszczeniu. Ale po kolei. 1 sierpnia 2023 roku pojawiło się w mediach społecznościowych nagranie z Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego Huazhong w Chinach pokazujące lewitującą w polu magnetycznym pastylkę w temperaturze pokojowej, ponoć wykonaną z materiału LK-99. Nadprzewodniki mają właściwości diamagnetyczne, oznacza to, że wewnątrz nadprzewodnika indukcja magnetyczna jest zerowa, dlatego unosi się on nad magnesem (jest to tak zwany efekt Meissnera–Oschenfelda). Jeżeli materiał nie ma tej cechy, jest jedynie doskonałym przewodnikiem. Dalej grupy teoretyczne z USA, Chin, Austrii oraz Szwajcarii przedstawiły wyniki swoich obliczeń teoretycznych wskazujące, że związek LK-99 może faktycznie być nadprzewodnikiem w temperaturach pokojowych. Odkryto tzw. płaskie pasma w strukturze elektronowej tego materiału, co implikuje, że oddziaływania elektron-elektron mogą odgrywać istotną rolę.
W fizyce ostatnie słowo należy jednak do doświadczalników. Jeszcze w sierpniu kilka grup badawczych z USA, Niemiec i Chin zsyntetyzowało LK-99 w swoich laboratoriach. Po przeprowadzeniu szeregu eksperymentów sprawdzili, że materiał ten nie jest nadprzewodnikiem. Wręcz przeciwnie, jest bardzo dobrym izolatorem.
Nie potwierdzono w tych laboratoriach obserwacji Koreańczyków. Temat w zasadzie został zamknięty, przypominając jedynie inne gorące doniesienia prasowe w tak zwanym sezonie ogórkowym. A skoro o ogórkach mowa, to istnieje takie utarte powiedzenie wśród fizyków, że jeśliby odpowiednio długo popracować, to i ogórek mógłby stać się nadprzewodnikiem. Żarty żartami, ale pytanie, jakie przychodzi nam natychmiast do głowy, jest poważne: Gdzie szukać nowych nadprzewodników?
Jako fizyk teoretyk, który zainteresował się nadprzewodnictwem ponad 30 lat temu przy okazji swojej pracy magisterskiej, muszę z przykrością przyznać, że obliczenia teoretyczne są mało skuteczne w tej materii. Trudno jest wskazać przewidywania teoretyczne oparte na złożonych obliczeniach numerycznych w ramach teorii funkcjonału gęstości, które odkryłyby nową klasę materiałów nadprzewodzących. Post factum obliczenia teoretyczne są oczywiście nieocenione w dogłębnym zrozumieniu już odkrytego nadprzewodnika przez doświadczalników.
Pozostaje metoda prób i błędów. A wszystko zaczęło się w kwietniu 1911 roku w Lejdzie w Holandii, w laboratorium Heike Kamerlingha Onnesa. Wtedy było to światowe centrum niskich temperatur. Podobno asystent profesora Onnesa umieścił rtęć (Hg) w ciekłym helu, która w niskich temperaturach jest metalem w fazie stałej, i badał zachowanie oporu elektrycznego. Zaobserwował, że opór elektryczny rtęci znika całkowicie w temperaturach poniżej 4,2 K. Jak głosi legenda, profesor był oburzony, gdy poznał ten wynik pomiaru oporności i ponoć nawet zwolnił swojego współpracownika. Kilka dni później sam przeprowadził eksperyment, obserwując rtęć z zerowym oporem elektrycznym.
O ile nie mamy pewności co do takiego przebiegu owych wydarzeń, to pamiętajmy, że w tamtym czasie zachowanie oporu elektrycznego metali w funkcji temperatury było zupełnie nieznane. Spekulowano, że w temperaturze zera bezwzględnego elektrony powinny przestać się poruszać i wraz ze spadkiem temperatury opór powinien rosnąć do nieskończoności. Spekulowano też, że być może w zerowej temperaturze opór będzie skończony, ale czy będzie malejącą, czy rosnącą funkcją temperatury, było trudne do przewidzenia. Całkowity zanik oporu poniżej pewnej skończonej temperatury był jednak nie do wyobrażenia.
Odkrycie Onnesa było fundamentalnym przełomem w fizyce. Wkrótce dowiedziono eksperymentalnie, że wiele innych pierwiastków staje się nadprzewodnikami w niskich temperaturach. Wśród nich najwyższą temperaturę przejścia wykazuje niob (Nb) 9,25 K
Pojedyncza warstwa grafenu na dielektrycznym podłożu jest stabilna, ale nie jest nadprzewodząca. Gdy położono dwie takie warstwy, jedna na drugiej, i skręcono względem siebie o pewien ,,magiczny” kąt, 1,1
Według teorii Waltera Kohna i Joaquina Mazdaka Luttingera oddziałujące pomiędzy sobą elektrony zawsze powinny tworzyć stan nadprzewodzący, co wynika z zasady Pauliego (dwa fermiony nie mogą być w tym samym stanie kwantowym) oraz kwantowej teorii ekranowania pola Coulombowskiego. Temperatura przejścia do takiego stanu jest jednak ekstremalnie niska. Dlatego mechanizm prowadzący do nadprzewodnictwa w znanych nam materiałach musi być inny.
Przypomnijmy, nadprzewodnik to jednocześnie doskonały przewodnik i doskonały diamagnetyk. Te dwie logicznie rozłączne cechy są zawsze (lub powinny być) sprawdzane, nim jakiś materiał uznamy za nadprzewodnik.
Przewidywania teoretyczne pokazują także, że metaliczny wodór powinien nadprzewodzić w temperaturach pokojowych. Jedyny kłopot polega na tym, że układ musi być pod ogromnym ciśnieniem 400 GPa, porównywalnym z panującym w jądrze planety Jowisz.
Z praktycznego punktu widzenia chcielibyśmy mieć nadprzewodzące druty, najlepiej w temperaturach pokojowych i normalnym ciśnieniu, aby pozbyć się strat energii i problemu z ogrzewaniem się urządzeń elektrycznych. Różne szacunki podają, że aż od 1/4 do 1/3 energii elektrycznej jest tracona w postaci ciepła pomiędzy elektrownią a odbiorcą. Jak już wiemy, taki nadprzewodzący drut nie może być zbudowany z żadnego czystego pierwiastka.
Spójrzmy na układy dwuskładnikowe. Mamy tutaj całą plejadę stopów i związków międzymetalicznych o strukturach krystalograficznych oznaczonych symbolami B1 lub A15. Okazuje się, że niob (Nb) gra tutaj pierwsze skrzypce. I tak rekord temperatury przejścia należy do Nb
Gdy przez około 80 lat fizycy przyzwyczaili się do eksperymentalnego faktu, że najwyższa temperatura układów dwuskładnikowych wynosi 23 K, a nawet sformułowano coś w rodzaju teoretycznego twierdzenia na ten temat, w 2001 roku pojawiło się odkrycie nadprzewodnictwa w dwuborku magnezu (MgB
Okazuje się też, że wodorki pod wysokim ciśnieniem stają się wysokotemperaturowymi nadprzewodnikami. Choć były badane od lat 70. zeszłego stulecia, w ostatnim okresie odkryto, że H
Omówione związki dwuskładnikowe należą do tak zwanych nadprzewodników drugiego rodzaju. Oznacza to, że w odpowiednio silnym polu magnetycznym, powyżej tak zwanego pierwszego pola krytycznego, powstają w nadprzewodzącym układzie elektronowym obszary normalne, przez które pole magnetyczne może przechodzić. Są to tak zwane wiry, a wartość strumienia pola magnetycznego jest tam dyskretna (wielokrotnością
Skoro zwiększenie liczby pierwiastków w układzie wiąże się na ogół ze wzrostem temperatury przejścia, wydaje się naturalnym zbadanie układów trójskładnikowych. Do nadprzewodników trójskładnikowych należą tak zwane fazy Chevrela. Tym razem pierwsze skrzypce odgrywa molibden (Mo). Przykładem jest związek PbMo
Wśród nadprzewodników dwu- i trójskładnikowych są też zupełnie egzotyczne układy, fulereny C
Geometria i niska wymiarowość także lubią nadprzewodnictwo, ale na razie w niskich temperaturach. Na granicy połączonych dwóch materiałów, LaAlO
W roku 1985 dużej części Czytelników miesięcznika Delta pewnie jeszcze nie było na świecie. To wtedy dokonała się rewolucja nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Georg Bednorz i K. Alex Müller, pracujący w laboratorium IBM w Zurychu w Szwajcarii, odkryli nadprzewodnictwo w materiale z klasy tzw. perowskitów. W niestechiometrycznym układzie La
Wszystkie odkryte nadprzewodniki wysokotemperaturowe mają płaszczyzny miedziowo-tlenowe, układające się w równoległe warstwy, pomiędzy którymi lokują się pozostałe pierwiastki układu. W granicy stechiometrycznej, bez domieszkowania, są to układy bardzo dobrze izolujące. Należą one do grupy tak zwanych skorelowanych izolatorów Motta. Domieszkowanie, zmiana stechiometrii, sprawia, że izolator przekształca się w nadprzewodnik. Do dziś nie ma pełnego konsensusu wśród specjalistów, jaki jest powód tego nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Sir Mott mawiał, że istnieje tyle teorii nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, ilu jest teoretyków tym się zajmujących, albo i jeszcze więcej. Problemem jednak są silne korelacje pomiędzy elektronami wynikające z oddziaływań Coulombowskich, których do dziś nie potrafimy opisywać teoretycznie w pełnej ogólności.
Wyścig w poszukiwaniu nadprzewodników wysokotemperaturowych był niezwykle emocjonujący i trwał ładnych kilkanaście lat. Pojawiały się co jakiś czas (fake)newsy o kolejnych nadprzewodnikach w coraz wyższych temperaturach, później dementowane przez samych autorów albo innych badaczy. Były też pewne ruchy z kategorii ,,nie fair”. Do dziś można znaleźć artykuł w New York Times Magazine opisujący historię profesora Chu, który w manuskrypcie wysłanym do Physical Review Letters podawał, że zaobserwował nadprzewodnictwo w temperaturze powyżej skraplania się azotu w YtBa
W historii nadprzewodnictwa ważny był rok 2008. Wtedy odkryto nadprzewodnictwo w dość wysokich temperaturach, tzn. powyżej 20 K, w tzw. pniktydkach i chalogenkach. Ciekawe układy na bazie żelaza z maksymalną temperaturą przejścia 55 K
Czytelniczka i Czytelnik, którzy dotrwali w lekturze do tego miejsca, domyślają się, że odpowiedzi na pytanie postawione w tytule nie ma. Nie wiadomo, gdzie szukać nadprzewodników, a szczególnie tych z pokojowymi temperaturami przejścia. Wraz ze wzrostem liczby pierwiastków w badanych układach ich liczba rośnie potęgowo. Ze 100 pierwiastków możemy stworzyć szacunkowo 100
Być może kiedyś będziemy się cieszyć z odkrycia nadprzewodników w temperaturach pokojowych. Do tego czasu czeka nas wiele prób, jak i licznych kolejnych doniesień o takowych odkryciach. Nawet jeśli są one później dementowane, patrzmy na nie z uznaniem. Jeśli nie będzie prób, upragnionego odkrycia tym bardziej nie będzie.