V červenci 2023 obletěla svět zpráva, že vědci v Jižní Koreji objevili supravodivost LK-99 (CuO25P6Pb9) při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku.
Tato zpráva vzbudila velký zájem nejen ve vědecké komunitě, ale i u široké veřejnosti. Nadšení však trvalo pouhé tři týdny. Několik dalších výzkumných zařízení v různých částech světa následně tento materiál vyrobilo a zjistilo, že publikované výsledky nejsou projevem supravodivosti, ale magnetismu. Nebylo to však poprvé, co byly výsledky objevu supravodivosti při pokojové teplotě publikovány a po nějaké době vyvráceny.
Bez odporu a ztrát
Při průchodu elektrického proudu běžným vodičem dochází vždy ke ztrátám energie ve formě tepla, které závisí na elektrickém odporu materiálu. Supravodič však vede stejnosměrný elektrický proud bez odporu, takže nedochází k žádným ztrátám energie. Materiál je však supravodivý pouze tehdy, pokud nejsou překročeny jeho kritické parametry, tj. kritická teplota (Tc), kritická proudová hustota (jc) a kritické magnetické pole (Hc), které tvoří tzv. kritickou supravodivou oblast. Materiál je tedy supravodivý pouze tehdy, je-li vystaven podmínkám pod touto plochou.
Technologie pro ekologii
V Evropě a USA se jen v elektrickém vedení ztrácí v průměru asi 5 % energie ve formě tepla. V některých méně rozvinutých zemích je to až 20 % v závislosti na množství vedení potřebných k distribuci energie. Nemluvě o energetických ztrátách v transformátorech, které by při distribuci energie v supravodivých vedeních již nebyly nutné. Ve většině aplikací, v nichž se supravodiče v současnosti používají (magnetická rezonance, urychlovače částic, vlaky maglev atd.), musí být chlazeny kapalným heliem (4,2 K neboli -269 °C), jehož cena je poměrně vysoká a každým rokem stoupá. Z praktického a finančního hlediska je potřeba chladit supravodiče jedním z rozhodujících faktorů pro jejich širší využití.
Objev materiálu, který je supravodivý při pokojové teplotě, by tedy měl značný technologický význam (za předpokladu, že splňuje i další kritéria, jako je cena, hodnoty jc a Hc, mechanické vlastnosti atd.) Energie uvolněná ze ztrát by mohla být okamžitě využita nebo by umožnila snížit počet elektráren, což by mělo významný dopad na životní prostředí. Ve stávajících aplikacích supravodivosti by se ušetřily značné náklady na chlazení. Použití takového materiálu by také vedlo k vyšší výpočetní rychlosti v počítačích, citlivějším elektronickým zařízením, senzorům a mnohému dalšímu.
Začátky
V roce 1911 Heike K. Onnes změřila teplotní závislost elektrického odporu rtuti (Hg) a zjistila, že při teplotě 4,2 K (0 K = -273,15 °C, nejnižší možná teplota) odpor náhle klesne na nulu. Tento jev nazval supravodivost materiálů a v roce 1913 mu byla za tento objev udělena Nobelova cena.
Supravodivost byla postupně objevena i u dalších materiálů a byly stanoveny rekordy kritických teplot, například u Pb (Tc = 7,2 K; rok objevu 1912), Nb (9,2 K; 1930), NbN (16 K; 1941), V3Si (17,1 K; 1954) nebo Nb3Sn (18,3 K; 1954).
Působení tlaku
U některých materiálů je však uveden i tlak, při kterém je materiál supravodivý. Působení tlaku může způsobit supravodivost i u zdánlivě nesupravodivých materiálů. Takový materiál je obvykle vložen do kompresní kapaliny, která je stlačována diamantovými bloky, což způsobuje rovnoměrné působení tlaku na vzorek.
Periodická tabulka prvků uvádí prvky, které jsou supravodivé při normálním (1 atmosféra) a vysokém tlaku. Z prvků, které jsou supravodivé při atmosférickém tlaku, má nejvyšší kritickou teplotu 9,2 K niob. Ostatní supravodivé prvky vykazují supravodivost pouze při tlacích v řádu jednotek až stovek GPa (100 GPa odpovídá milionnásobku atmosférického tlaku) nebo pouze v modifikovaných formách, například chrom (Cr) jako velmi tenká vrstva, olovo (Pb) při ozařování, uhlík (C) pouze v modifikaci nanotrubiček nebo platina (Pt) ve formě prášku.
Teorie BCS
Od objevu supravodivosti uplynulo dalších 46 let, než byla v roce 1957 publikována mikroskopická teorie supravodivosti, takzvaná BCS teorie, pojmenovaná po jejích autorech (J. Bardeen, L. Cooper, J. R. Schrieffer), za kterou obdrželi Nobelovu cenu. Podle této teorie se pod kritickou teplotou supravodiče tvoří páry vázaných elektronů prostřednictvím elektron-fononové interakce (fonon je kvazičástice, která přenáší vibrace krystalové mřížky) do tzv. cooperových párů, které se v materiálu pohybují bez odporu. BCS teorie správně popisuje magnetické vlastnosti, kritické hodnoty teploty supravodičů a předpověděla také supratekutost He3, která však byla experimentálně prokázána až v roce 1972.
Další rekord kritické teploty supravodiče padl v roce 1973 v materiálu Nb3Ge s Tc = 23,2 K. BCS teorie považovala tuto teplotu za nepřekročitelnou hranici kritické teploty a do té doby objevené supravodiče tuto podmínku splňovaly. K nečekanému objevu došlo až v roce 1986, kdy byla objevena supravodivost keramických materiálů (kuprátů) při teplotách mnohem vyšších než 23,2 K.
Kupráty
V roce 1986 Karl A. Müller a Johannes G. Bednorz objevili supravodivost v keramickém materiálu LaBaCuO4 s Tc = 35 K. Krátce poté, v roce 1987, se u vytvořeného kuprátu YBa2Cu3O7 projevila kritická teplota až 92 K. Takový materiál již bylo možné chladit levným a dostupným kapalným dusíkem (77 K nebo -196 °C). Jev byl pojmenován vysokoteplotní supravodivost a získal Nobelovu cenu.
Postupně byly objeveny další supravodivé materiály ze skupiny kuprátů, přičemž HgBa2Ca2Cu3O8 s Tc = 138 K (-135 °C), objevený v roce 1993, je v současnosti materiálem s nejvyšší dosaženou kritickou teplotou při atmosférickém tlaku. Od prvního okamžiku objevu vysokoteplotní supravodivosti bylo zřejmé, že se jedná o nový mechanismus supravodivosti a že Cooperovy páry vznikají jiným způsobem než při interakci elektron-fonon, jak ji popisuje BCS teorie. Pro vysokoteplotní supravodivost v současné době neexistuje žádná ucelená teorie, která by popisovala supravodivost těchto materiálů na mikroskopické úrovni.
Hydridy
Další průlom přišel v roce 2015, kdy byla objevena supravodivost H2S při 155 GPa s Tc = 203 K. V roce 2019 byl tento rekord rovněž překonán, když byla u hydridu LaH10 naměřena Tc = 250 K (-23 °C) při tlaku 190 GPa, což je v současnosti nejvyšší potvrzená kritická teplota supravodivého materiálu. Je však třeba poznamenat, že materiál, který je supravodivý pouze při působení vysokého tlaku, nemá v podstatě žádné praktické využití.
Zajímavé je, že v roce 2020 publikovali v časopise Nature článek o supravodivosti materiálu CH8S s Tc = 288 K (15 °C) při tlaku 267 GPa. Výsledky se nakonec nepotvrdily a článek byl stažen až po dvou letech. Za posledních 15 let se objev supravodiče při pokojové teplotě objevil nejméně čtyřikrát a všechny tyto zprávy byly vyvráceny. Naposledy s materiálem LK-99, kde byly výsledky vyvráceny již po třech týdnech.
V současné době jsou známy tisíce supravodičů z různých skupin materiálů, ale zatím žádný při pokojové teplotě. Nejslibnějšími kandidáty jsou materiály ScH12 a Li2MgH16, které by na základě materiálových modelů mohly být supravodivé při pokojové teplotě, ale i v těchto případech za vysokých tlaků v řádu stovek GPa. Na formulaci teorie vysokoteplotní supravodivosti a na další záznamy kritických teplot supravodičů buď při atmosférickém, nebo vysokém tlaku si tedy ještě musíme počkat.
Zdroj: QUARK (Magazín o vede a technke | Text a ilustrace: Ing. Rastislav Ries, PhD. (Elektrotechnický ústav Slovenské akademie věd, v. v. i., v Bratislavě)
Časopis Quark je vědecký a technický časopis pro všechny zvídavé. Srozumitelnou formou vypráví i o složitých věcech. Od roku 1995 přináší každý měsíc na 56 stranách nejnovější informace o vědě, výzkumu, objevech a nových technologiích na Slovensku i ve světě. Čtenář v něm najde spoustu zajímavého čtení o živé i neživé přírodě, nahlédne do práce slovenských i světových vědců, najde přehled nejnovějších typů automobilů, železnic, letadel a lodí, novinky ze světa mostů, výškových budov či staveb, pronikne do tajů jaderné fúze, hlubin vesmíru, nanostruktur či genetiky. Nechybí ani relaxace a provětrání mozkových buněk.
Podcast & blog by Pepik Hipik & Knižní kočka 