Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 22 – vyšlo 2. června, ročník 1 (2003) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

22/2003

Může být diamant supravodivý za pokojové teploty?

Jan Pašek

  

Vysokoteplotní supravodivost probíhající za pokojové teploty je snem fyziků mnoha generací. Vlastnit materiály s nulovým odporem při pokojové teplotě by znamenalo revoluci v elektronice. Samotný jev supravodivosti byl objeven již v roce 1911. Kammerling-Onnes detekoval supravodivé vlastnosti u rtuti ochlazené pod teplotu 4.5 K. S objevem nových supravodivých materiálů se hranice kritické teploty pro supravodivost velmi pomalu zvyšovala až na hodnotu 23 K. K prvnímu většímu průlomu došlo v roce 1986, kdy byly objeveny speciální keramické materiály s teplotou přechodu do supravodivé fáze kolem 150 K. Tyto materiály se stanou supravodivými při ponoření do relativně snadno dostupného kapalného dusíku. Obrovské nadšení postupně ochladlo pod tíhou technických problémů.

Johan F. Prins z Pretorijské university v Jižní Africe pravděpodobně objevil vysokoteplotní supravodivý stav během experimentu s diamanty dotovanými kyslíkem. Supravodivé vlastnosti ve skutečnosti nevykazuje diamant samotný, ale oblak elektronů mezi katodou (diamantem) a velmi blízkou pozlacenou anodou (pohyblivou sondou). Celý experiment probíhá za pokojové teploty a sníženého tlaku. O tom, zda jde skutečně o supravodivost nebo jiný jev ukáže až blízká budoucnost a další potřebné experimenty.

BCS teorie -  počátkem 60. let 20. století Leon N. Cooper, John Bardeen a J. Robert Schrieffer vytvořili teorii supravodivosti založenou na myšlence párů elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Tyto páry elektronů (tzv. Cooperovy páry) se chovají jako bosony a mohou za nízké teploty sdílet přesně stejnou deformaci v krystalické mřížce.  Díky tomu se chovají jako koherentní makroskopická kapalina. Při energiích vyšších než prahová energie je tento koherentní stav narušen teplotními excitacemi o energii kT. Za tuto teorii obdrželi v roce 1972 Nobelovu cenu za fyziku. Bosony - bosony jsou částice s celočíselným spinem. V témže stavu jich může být libovolný počet a díky tomu mohou vytvářet bosonovou kondenzaci v nejnižším kvantovém stavu. Jejich chování popisuje tzv. Bose-Einsteinovo statistické rozdělení. Boseův Einsteinův kondenzát - (Bose-Einstein Condensate, BEC) představuje nový stav hmoty, ve kterém jsou atomy plynu v jednom jediném kvantovém stavu. Atomy plynu se vzájemně překrývají a společný kvantový stav se chová jako jediná "superčástice". Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Jde o kondenzaci nikoliv v prostoru určitých periodických uzlů, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, ale o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší než je tzv. teplota degenerace. Cooperův pár - vázaný pár elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Celý pár se chová jako boson a může vytvářet Boseův-Einsteinův kondenzát. Diamant - jedna z krystalografických forem uhlíku, je-li dotován kyslíkovými ionty, stane se polovodičem typu n. Fermiony - fermiony jsou částice s poločíselným spinem. V daném kvantovém stavu může být jen jediná částice (tzv. Pauliho vylučovací princip). Částice obsazují stavy postupně až po tzv. Fermiho energii. Jejich chování popisuje tzv. Fermi-Diracovo statistické rozdělení. Supravodivost - supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil, že při ochlazení rtuti pod teplotu 4.2 K dochází k prudkému poklesu elektrického odporu až na milióntinu původní hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku, ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč elektrony v ochlazeném materiálu tečou bez odporu.

Popis experimentu

Diamant dotovaný kyslíkem je polovodič typu n a má zápornou elektronovou afinitu. Za pokojové teploty je schopen uvolňovat elektrony z povrchu tunelováním do vakua. Extrahované elektrony vytvoří vrstvičku mezi diamantem a anodou, která je vysoce vodivá a má zajímavé vlastnosti.

Schéma aparatury použité pro měření elektronové emise z diamantů. Sonda je
vyrobena z nerezavějící oceli pokryté zlatem. Vakuum je lepší než 10⁻⁶ mbar.

Diamant (katoda) i sonda (anoda) jsou uloženy ve vakuové komoře za tlaku 10⁻⁶ mbar při pokojové teplotě. Vzdálenost sondy od diamantu je možné měnit. Při napětí +1000 V se proud ustálí kolem hodnoty 0.5 mA a pro vzdálenosti elektrod větší než 16 μm klesá na nulu. Proud také teče opačným směrem při napětí −1000 V, ale vymizí při ještě menší vzdálenosti elektrod.

Proud měřený jako funkce vzdálenosti sondy od povrchu.

Elektrony opouštějící povrch diamantu jsou přitahovány zpět kladnou vrstvou vzniklou pod povrchem diamantu, nemohou se ale z energetických důvodů vrátit do diamantu. Těsně pod povrchem diamantu se formuje kladná vrstva a nad povrchem vrstva záporných elektronů. Tyto dvě vrstvy vytváří dipól stínící povrchové elektrické pole. Velikost vzniklé dipólové vrstvy lze řídit polem přiloženým na sondu. Pokud elektrony dosáhnou až k anodě, začne mezi katodou a anodou téct elektrický proud. Elektrické pole mezi diamantem a anodou způsobuje nárůst počtu elektronů a snížení jejich rychlosti. Profesor Prins argumentuje tím, že dosažení stacionárního proudu znamená efektivní nulové elektrické pole v mezeře mezi katodou a anodou a přechod elektronové vrstvy do stavu Bose - Einsteinova kondenzátu. Elektrony z nějakých, ne zcela jasných příčin formují Cooperovy elektronové páry. Proud pokračuje z diamantové katody skrz tuto vrstvu do anody, dokonce i tehdy, když tu není žádné napětí. Právě to je základní vlastností supravodivosti.

Avšak zbytek diamantové komunity zůstává skeptický. Richard Jackman z Univerzitní koleje London, který editoval speciální zprávy časopisů, ve kterých Prins publikoval, popisuje práce jako “velmi teoretické dokumenty, provokující, kontroverzní a otevřené k debatě”. Prins připouští, že musí ukázat, že tento stav není závislý na magnetickém poli a přesvědčivě prokázat, že tento stav je supravodivý. Nicméně Prins nedávno odešel do důchodu a pokračování v experimentech je nejisté. Prins a jeho dva společníci se pokusili dosavadní pokusy patentovat.

Na odpověď, zda se skutečně jedná o objev tolik žádané vysokoteplotní supravodivosti si budeme proto muset ještě nějaký čas počkat.

Odkazy