Co, jeśli… osiągniemy wysokotemperaturowe nadprzewodniki? Wiązania nadziei
Nadprzewodnictwem nazywa się stan materiału polegający na zerowym oporze elektrycznym. Jest osiągany w niektórych materiałach w bardzo niskiej temperaturze. To kwantowe zjawisko odkrył Kamerlingh Onnes (1) w rtęci, w 1911 r. Fizyka klasyczna nie radzi sobie z jego opisem. Poza zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej objętości pola magnetycznego, co znane jest jako efekt Meissnera (w nadprzewodnikach pierwszego rodzaju), lub skupianie pola magnetycznego w "wiry" (w nadprzewodnikach drugiego rodzaju).
Większość nadprzewodników działa tylko w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu. Przedstawia się ją jako 0 kelwinów (-273,15°C). Ruch atomów w tej temperaturze jest prawie żaden. To jest klucz do nadprzewodników. Normalnie elektrony poruszające się w przewodniku zderzają się z innymi drgającymi atomami, powodując straty energii i opór. Wiemy jednak, że nadprzewodnictwo możliwe jest w wyższych temperaturach. Stopniowo odkrywamy materiały wykazujące ten efekt na coraz mniejszym minusie Celsjusza a nawet ostatnio także na plusie. Jednak wiąże się to znów zwykle ze stosowaniem ekstremalnie wysokiego ciśnienia. Ostatecznym marzeniem jest możliwość stworzenia tej technologii w temperaturze pokojowej bez konieczności stosowania gigantycznych ciśnień.
Fizyczną podstawą powstania stanu nadprzewodnictwa jest powstanie par nośników ładunku - tzw. par Coopera. Pary takie mogą powstać w wyniku łączenia się dwóch elektronów mających energię bliską energii Fermiego, czyli najmniejszej energii, o jaką zwiększy się energia układu fermionów po dodaniu jeszcze jednego elementu, nawet wtedy, gdy energia wiążącego je oddziaływania jest bardzo mała. Zmienia to właściwości elektryczne materiału, gdyż pojedyncze nośniki są fermionami, a pary bozonami.
Para Coopera to zatem układ dwóch fermionów (np. elektronów) oddziałujących ze sobą poprzez drgania sieci krystalicznej, nazywane fononami. Zjawisko opisane zostało przez Leona Coopera w 1956 r. i stanowi element teorii BCS nadprzewodnictwa niskotemperaturowego. Fermiony tworzące parę Coopera mają połówkowe spiny (które są skierowane w przeciwnych kierunkach), jednak wypadkowy spin układu jest całkowity, czyli para Coopera jest bozonem.
Nadprzewodnikami w określonych temperaturach są niektóre pierwiastki, np. rtęć, kadm, ołów, cynk, cyna, glin, iryd, platyna, inne przechodzą w stan nadprzewodnictwa tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem (np. tlen, fosfor, siarka, german, żelazo, lit) lub w postaci cienkich warstw (wolfram, beryl, chrom), a niektórych jeszcze nie dało się przeprowadzić w stan nadprzewodnictwa, np. srebra, miedzi, złota, gazów szlachetnych, wodoru, mimo że złoto, srebro i miedź są jednymi z najlepszych przewodników w temperaturze pokojowej.
"Wysokotemperaturowe" wymagają wciąż bardzo niskich temperatur
W 1964 roku William A. Little zaproponował możliwość istnienia nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w polimerach organicznych. Propozycja ta opiera się na parowaniu elektronów z udziałem ekscytonów, w przeciwieństwie do parowania z udziałem fononów w teorii BCS. Termin "nadprzewodniki wysokotemperaturowe" został użyty do określenia nowej rodziny materiałów ceramicznych o strukturze perowskitu odkrytych przez Johannesa G. Bednorza i K.A. Müllera w 1986 roku, za co otrzymali Nagrodę Nobla. Te nowe ceramiczne nadprzewodniki (2) zostały wykonane z miedzi i tlenu zmieszanych z innymi pierwiastkami, takimi jak lantan, bar i bizmut.
Nadprzewodnictwo "wysokotemperaturowe" przebiegało wciąż w bardzo niskich temperaturach z naszego punktu widzenia. Dla normalnych ciśnień granicą było -140°C i nawet takie nadprzewodniki nazywano "wysokotemperaturowymi". Temperaturę nadprzewodnictwa -70°C dla siarkowodoru osiągnięto przy ekstremalnie wysokich ciśnieniach. Jednak nadprzewodniki wysokotemperaturowe do chłodzenia wymagają stosunkowo taniego ciekłego azotu, a nie ciekłego helu, co ma swoje znaczenie.
Z drugiej strony w większości kruchymi ceramikami, niezbyt praktycznymi w stosowaniu w układach elektrycznych.
Naukowcy wciąż wierzą, że istnieje lepsza opcja, która czeka na odkrycie, nowy niezwykły materiał, który spełniałby takie kryteria jak nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, po przystępnej cenie i praktyczny w stosowaniu. Niektóre badania koncentrują się na miedzianie, złożonym krysztale, który zawiera warstwy atomów miedzi i tlenu. Kontynuowane są również badania nad pewnymi anomalnymi, ale niewyjaśnionymi naukowo doniesieniami, że grafit nasączony wodą może działać jako nadprzewodnik w temperaturze pokojowej.
Ostatnie lata to prawdziwy wysyp "rewolucji", "przełomów" i "nowych rozdziałów" w dziedzinie nadprzewodnictwa w wyższych temperaturach. W październiku 2020 roku doniesiono o nadprzewodnictwie w temperaturze pokojowej (w 15°C) w węglowym wodorku siarki (3), jednakże przy bardzo wysokim ciśnieniu (267 GPa) wywołanym za pomocą zielonego lasera. Świętego Graala, którym byłby stosunkowo tani materiał, nadprzewodzący w temperaturze pokojowej, przy normalnym ciśnieniu, wciąż jednak nie znaleziono.
Świt ery magnetycznej
Wymienianie możliwego zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych można zacząć od elektroniki i komputerów, urządzeń logicznych, elementów pamięci, przełączników i połączeń, oscylatorów, wzmacniaczy, akceleratorów cząstek. Dalej na liście są: bardzo czułe urządzenia do pomiaru pól magnetycznych, napięć lub prądów, magnesy do medycznych urządzeń MRI, magnetyczne systemy magazynowania energii, lewitujące superszybkie pociągi pasażerskie, silniki, generatory, transformatory i linie przesyłowe. Głównymi zaletami tych wymarzonych urządzeń nadprzewodnikowych byłyby małe rozproszenie mocy, duża szybkość działania i ekstremalna czułość.
Na nadprzewodniki od dekad czeka energetyka. Nie bez powodu elektrownie są często budowane w pobliżu ruchliwych miast. Nawet 30 proc. generowanej przez nie energii elektrycznej może zostać utracona w liniach przesyłowych. Jest to powszechny problem w przypadku urządzeń elektrycznych. Znaczna część energii jest tracona na ciepło. Dlatego też znaczna część powierzchni komputera jest przeznaczona na części chłodzące, które pomagają rozproszyć ciepło wytwarzane przez obwody.
Nadprzewodniki rozwiązują problem energii traconej na ciepło. W ramach eksperymentów naukowcom np. udaje się utrzymać prąd elektryczny wewnątrz pierścienia nadprzewodzącego przez ponad dwa lata. I to bez dopływu dodatkowej energii.
Jedynym powodem, dla którego prąd się zatrzymał, była utrata dostępu do ciekłego helu, a nie fakt, że prąd nie mógł dalej płynąć. Nasze eksperymenty prowadzą nas do przekonania, że prądy w materiałach nadprzewodzących mogą płynąć przez setki tysięcy lat, jeśli nie więcej. Prąd elektryczny w nadprzewodnikach może płynąć wiecznie, przekazując energię bez żadnych kosztów.
Przy braku oporu przez nadprzewodzący przewód mógłby płynąć ogromny prąd, który z kolei wytwarzałby pola magnetyczne o niesamowitej mocy. Można je wykorzystać do lewitowania pociągów typu Maglev (4), które mogą już teraz osiągać prędkość 600 km/h, a opierają się na magnesach nadprzewodnikowych. Albo używać ich w elektrowniach, zastępując konwencjonalne metody, w których turbiny obracają się w polach magnetycznych w celu wytworzenia energii elektrycznej. Potężne magnesy nadprzewodnikowe mogłyby pomóc w kontroli reakcji fuzji jądrowej. Przewód nadprzewodzący może działać jak doskonały magazyn energii elektrycznej, zamiast baterii, zaś potencjał w układzie zachowany byłby przez tysiąc i milion lat.
W komputerach kwantowych można będzie kodować stany kubitowe prądem płynącym w nadprzewodniku zgodnie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Silniki statków i samochodów byłyby dziesięciokrotnie mniejsze niż obecnie, a drogie aparaty MRI do diagnostyki medycznej mieściłyby się w dłoni. Energia słoneczna zebrana na farmach na rozległych pustych pustyniach na całym świecie mogłaby być przechowywana i przesyłana bez żadnych strat.
Jak sądzi fizyk i znany popularyzator nauki, Michio Kaku, technologia taka jak nadprzewodniki zapoczątkowałaby nową erę. Jeśli do tej pory żyliśmy w erze elektryczności, to nadprzewodniki o temperaturze pokojowej przyniosłyby ze sobą erę magnetyzmu.
Mirosław Usidus
