Vėl buvo sumuštas superlaidumo aukštoje temperatūroje rekordas

Superlaidumas yra keistas nulinės elektrinės varžos reiškinys, atsirandantis, kai kai kurios medžiagos atšaldomos žemiau kritinės temperatūros. Geriausi superlaidininkai turi būti aušinami skystu heliu arba azotu, kad būtų pakankamai šalti (dažnai net iki -250 °C arba -480 F) veikti. Šventasis gralis tyrinėtojams yra idėja, kad medžiaga gali būti pagaminta taip, kad ji būtų superlaidi esant maždaug 0 °C temperatūrai – vadinamasis kambario temperatūros superlaidumas. Jei toks dalykas būtų kada nors atrastas, jis atskleistų daugybę naujų technologijų, įskaitant ypač greitus kompiuterius ir duomenų perdavimą.

Superlaidumo istorija kupina abejotinų teiginių apie aktyvumą aukštoje temperatūroje, kurių vėliau neįmanoma atkurti. Iš tiesų, fizikai turi tam pavadinimą: USO arba neatpažinti superlaidūs objektai.

Taigi į naujus teiginius apie superlaidumą aukštoje temperatūroje reikia vertinti atsargiai. Tai pasakius, šiandienos naujienos, kad buvo sumuštas superlaidumo aukštoje temperatūroje rekordas, verta pažvelgti išsamiau.

Darbas atliktas Michailo Eremetso ir kolegų Maxo Plancko chemijos instituto Maince, Vokietijoje, laboratorijoje. Eremetsas ir jo kolegos teigia pastebėję lantano hidrido (LaH10) superlaidumą 250 K arba –23 °C temperatūroje.

Tai šiltesnė nei dabartinė Šiaurės ašigalio temperatūra. Mūsų tyrimas daro šuolį į priekį kelyje į kambario temperatūros superlaidumą, sako komanda. (Įspėjimas yra tas, kad mėginyje turi būti didžiulis slėgis: 170 gigapaskalių arba maždaug pusė slėgio Žemės centre.)

Eremets šioje srityje turi gana įspūdingą kilmę. Ilgamečiai šio tinklaraščio skaitytojai prisimins, kai jis sumušė ankstesnį superlaidumo aukštoje temperatūroje rekordą dar 2014 m. . Ta proga jo komanda sugebėjo išmatuoti superlaidumą vandenilio sulfide –80 °C temperatūroje, maždaug 10 laipsnių šiltesnėje nei bet kuri kita medžiaga. Vėliau jis jį padidino iki –70 °C ir publikavo darbą „Nature“ sulaukęs didžiulio pripažinimo.

Tačiau fizikus nustebino superlaidžios medžiagos prigimtis.

Superlaidumas gerai suprantamas įprastuose superlaidininkuose, kurie yra standžios teigiamų jonų gardelės, besimaudančios elektronų vandenyne. Elektrinė varža atsiranda, kai elektronai, judantys per gardelę, sulėtėja atsitrenkdami į ją, o superlaidumas atsiranda, kai grotelės atšaldomos iki taško, kuriame ji tampa pakankamai standi, kad per ją galėtų raibuliuoti mechaninės garso bangos arba fononai. Šios bangos keliaudamos deformuoja gardelę. Ir elektronai gali naršyti dėl šios deformacijos.

Tiesą sakant, žemoje temperatūroje elektronai jungiasi vienas su kitu, sudarydami vadinamąsias Kuperio poras. Ir būtent šios Cooperio poros, naršančios per gardelę, sudaro superlaidumą.

Kylant temperatūrai Cooperio poros suyra ir superlaidumas nutrūksta. Šis pokytis įvyksta esant vadinamajai kritinei temperatūrai.

Iki 2014 m. aukščiausia tokio tipo superlaidumo kritinė temperatūra buvo apie 40 K arba –230 °C. Iš tiesų, daugelis fizikų manė, kad tokio tipo superlaidumas negali veikti aukštesnėje temperatūroje.

Štai kodėl Eremetso pranešimas buvo toks nepaprastas – vandenilio sulfidas yra įprastas superlaidininkas, veikiantis taip, kaip daugelis žmonių manė, kad tai neįmanoma.

(1986 m. fizikai atrado visiškai kitokią superlaidumo formą keraminėse medžiagose esant 180 K arba –90 °C temperatūrai. Tai vis dar nėra gerai suprantama, o didinant temperatūrą padaryta nedidelė pažanga.)

Eremetso atradimas sukėlė karštligišką teorinės veiklos priepuolį, siekiant paaiškinti, kaip atsiranda superlaidumas. Sutariama, kad vandenilio sulfide vandenilio jonai sudaro gardelę, kuri perneša Cooper poras su nuliniu pasipriešinimu, kai temperatūra nukrenta žemiau kritinio lygio.

Tai gali atsitikti esant aukštai temperatūrai, nes vandenilis yra toks lengvas. Tai reiškia, kad grotelės gali vibruoti dideliu greičiu, taigi ir aukštoje temperatūroje. Tačiau grotelės taip pat turi būti tvirtai laikomos vietoje, kad vibracija jos nesuplėšytų. Štai kodėl superlaidumas veikia tik esant aukštam slėgiui.

Nuo to laiko buvo atlikta daug teorinių ir skaičiavimo darbų, skirtų numatyti kitas medžiagas, kurios gali tokiu būdu leisti superlaidumą aukštoje temperatūroje. Vienas iš galimų kandidatų buvo lantano hidridas, prie kurio dirbo Eremets ir bendradarbiai.

Atradimas, kad jis superlaidus 250 K temperatūroje, yra pergalė ne tik Eremetsui ir jo komandai, bet ir teoriniams metodams, kurie tai numatė. Šis ~ 50 K šuolis nuo ankstesnio 203 K rekordo rodo realią galimybę artimiausiu metu pasiekti aukšto slėgio kambario temperatūros superlaidumą (ty esant 273 K), sako Eremets ir kt.

Tačiau dar laukia šiek tiek darbo. Fizikai reikalauja trijų atskirų įrodymų, kad įsitikintų, jog superlaidumas iš tikrųjų vyksta. Pirmasis yra būdingas atsparumo sumažėjimas, kai temperatūra krenta. Eremets turi tai.

Antrasis apima elementų pakeitimą mėginyje sunkesniais izotopais. Dėl to grotelės vibruoja skirtingu greičiu ir atitinkamai keičia kritinę temperatūrą. Eremetai ir bendradarbiai taip pat turi šiuos įrodymus, pakeitę vandenilį savo mėginiuose deuteriu ir pastebėję kritinę temperatūrą iki 168 K, kaip ir tikėtasi.

Trečioji įrodymų kryptis vadinama Meisnerio efektu: superlaidininkas turėtų išstumti bet kokį magnetinį lauką. Būtent čia Eremetsas ir kiti kovojo. Jų mėginiai yra tokie maži – vos kelių mikrometrų skersmens ir sėdi aukšto slėgio deimantinių priekalų kamerose –, kad tyrėjams dar nepavyko to tiesiogiai išmatuoti, nors jie turi ir kitų magnetinių įrodymų.

Be šio galutinio parašo fizikai gali visiškai neapsikabinti. Tačiau tai tikrai yra kažkas, ką komanda sunkiai dirba.

Tuo tarpu darbas atveria keletą kitų akivaizdžių kelių, kurių reikia siekti. Skaičiavimo modeliai rodo, kad itrio superhidridai gali būti superlaidūs esant aukštesnei nei 300 K temperatūrai – tikrai kambario temperatūrai (nors tik esant slėgiui, kuris dažniausiai būna Žemės centre).

Taigi vienokios ar kitokios formos kambario temperatūros superlaidininkai gali būti visai ne toli. Tada kils klausimas, kaip geriausiai juos išnaudoti.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1812.01561 : Superlaidumas esant 250 K lantano hidrido aukštam slėgiui

paslėpti