Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 32 – vyšlo 29. srpna, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

32/2015

Horní hranice teploty konvenčních supravodičů výrazně stoupla

Petr Kulhánek

Jedna z pouček z hodin chemie na základní škole, která mně utkvěla v paměti, zněla: „há dvě es smrdí jako pes“. Řeč byla o sirovodíku neboli sulfanu, chemicky H₂S, celkem jednoduché sloučenině, která je součástí sopečných plynů, uniká ze sirných pramenů a vzniká při rozkladu bílku – proto zkažená vajíčka neboli pukavci tak pekelně páchnou. Sám o sobě vzniká tento jedovatý plyn v biosféře relativně hojně, nicméně ze znalostí nabytých ve škole se mně zdálo, že není nijak užitečný. V posledních letech se ale sirovodík začal objevovat v odborném tisku a v médiích stále častěji. Ukázalo se, že v mozkové tkáni ovlivňuje správnou činnost neuronů, sehrává důležitou roli při zánětlivých procesech a reguluje některé životně důležité pochody, snad i proces stárnutí. V roce 2008 bylo na myších prokázáno, že sirovodík snižuje krevní tlak v organizmu, podobně jako oxid dusnatý. Společná práce vědců ze Zemědělské univerzity a z univerzity ve francouzském Lille v roce 2014 ukázala, že sirovodík vznikající ve vajíčcích ovlivňuje kladně kvalitu zrání vajíčka. V budoucnu by aplikace sirovodíku na vajíčka zrající ve zkumavce mohla vylepšit výsledky reprodukční medicíny. Tento mimořádně jedovatý plyn je tedy v malých koncentracích, zdá se, velmi prospěšný. Tělo je schopné sirovodík samo vyrábět, což je pravděpodobně dědictvím minulosti, kdy první bakterie využívaly sirovodík jako zdroj živin. V srpnu roku 2015 přišla další zajímavá zpráva: sirovodík za teploty 203 kelvinů je při tlaku 150 miliard pascalů supravodivý! Pokud jde o tzv. konvenční supravodivost, posouvá tento výsledek hranici teploty konvenčních supravodičů z hodnoty 39 K na novou hodnotu 203 K, což je nejvýraznější posun směrem k pokojovým teplotám v historii.

Molekula sirovodíku. Zdroj: Steve Jenkins.

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 se elektrony v ochlazeném materiálu pohybují bez odporu. BCS teorie – na konci 50. let 20. století vytvořili John Bardeen, Leon Cooper a John Robert Schrieffer teorii supravodivosti založenou na myšlence párování 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 (fonon). 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. Cooperův pár – vázaný pár fermionů (elektronů, neutronů či protonů) s boso­novými projevy. V případě elektronů vede na supravodivé vlastnosti některých materiálů za nízkých teplot. U nukleonů je vazba velmi silná a jedná se o klíčový proces zodpovědný za mnoho vlastností atomových jader. Meissnerův jev – materiál, který přejde do supravodivého stavu, aktivně vytlačuje externí magnetické pole, které od povrchu exponenciálně ubývá a může proniknout maximálně do Londonovy penetrační hloubky (20÷40 nm).

Konvenční supravodiče

Základní přehled historie konvenční i vysokoteplotní supravodivosti čtenář najde v AB 36/2004. Proto si zopakujme některá fakta z tohoto bulletinu. Objev supravodivosti je spojen se jménem Heikeho Kamerlingha Onnese, který založil laboratoř nízkých teplot v Leidenu. Jako první zde v roce 1908 zkapalnil heliumHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi. a zkoumal vlastnosti látek za velmi nízkých teplot. V roce 1911 zjistil, že odpor rtutiRtuť – Hydrargyrum, těžký, toxický kovový prvek. Slouží jako součást slitin (amalgámů) a jako náplň různých přístrojů (teploměry, barometry). Je jediným kovem, který je za normálních podmínek kapalný. klesá při 4,2 K k nule a objevil supravodivostSupravodivost – 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 se elektrony v ochlazeném materiálu pohybují bez odporu.. Teplota, při které přechází látka z normálního do supravodivého stavu, se nazývá kritická teplota, pro rtuť činí právě 4,2 K. Onnes ukázal, že proud tekoucí supravodivým závitem přetrvává i bez externího zdroje po velmi dlouhou dobu. Známý je jeho experiment, kdy připravil závit protékaný proudem ve své laboratoři v Leidenu a odvezl ho i s chladícím zařízením do Cambridge, kde na přednášce demonstroval supravodivost. Proud v závitu i po převozu stále tekl…

Zajímavý je vliv magnetického pole na supravodivost. Při nízkých magnetických polích supravodivost přetrvává. Zvyšujeme-li hodnotu magnetického pole, dojde při určité kritické hodnotě pole k náhlému zrušení supravodivého stavu. Fázový přechod do supravodivého stavu je tedy podmíněn jak nízkou teplotou, tak nízkou hodnotou magnetického pole. V roce 1934 ukázal Walther Meissner, že supravodiče mají výrazné diamagnetické chování. Vytlačují ze svého nitra magnetické pole, které od povrchu exponenciálně ubývá (tzv. Meissnerův jevMeissnerův jev – materiál, který přejde do supravodivého stavu, aktivně vytlačuje externí magnetické pole, které od povrchu exponenciálně ubývá a může proniknout maximálně do Londonovy penetrační hloubky (20÷40 nm).). Při kritické hodnotě pole přestává být látka diamagnetická a není již schopna aktivně vytlačovat magnetické pole ze svého nitra.

Meissnerův jev. Na supravodivé keramice ponořené do kapalného dusíku je položen magnet ve tvaru malé kostky. Jakmile se keramika ochladí pod kritickou teplotu, stane se supravodivou a vypudí magnetické pole ze svého nitra. Výsledkem je, že se kostička vznese a začne levitovat nad keramikou. Zdroj: Extreme Tech.

Supravodivost se podařilo vysvětlit Johnu Bardeenu, Leonu Cooperovi a Johnu Robertu Schriefferovi až v roce 1957. Podle počátečních písmen jejich jmen nazýváme tuto teorii BCS teorie. V kovech, které mají krystalickou strukturu, se za normální situace pohybují elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. a také jsou zde přítomna kvanta elektromagnetického pole (fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926.) a kvanta vibrací krystalové mříže (fononyFonon – kvazičástice vibrací krystalové mříže, vibrační kvantum šířící se krystalovou mříží. Pomocí fononů lze popisovat šíření zvukových vln v pevných látkách. Samotný název fonon vznikl jako analogie k fotonu. Foton je částicí elektromagnetického pole, fonon je kvazičásticí netlumeného zvukového pole v pevné látce.). Elektrony si mezi sebou mohou vyměňovat jak fotony, tak fonony. A právě fononová interakce může být za určitých okolností přitažlivá. A pokud mají elektrony navíc opačně orientovaný spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. a hybnost, je tato síla dokonce větší než odpudivá Coulombova interakce a elektrony vytvoří za nízké teploty vázaný pár (sdílejí stejný fonon, neboli stejnou pohybující se deformaci krystalové mřížky). Při teplotě vyšší, než je kritická, znemožní teplotní fluktuace setrvání dvou elektronů v jedné deformaci krystalové mřížky. Bez iontů, které vytvářejí krystalovou mříž, by mechanizmus samozřejmě nefungoval. Páry elektronů (tzv. Cooperovy páryCooperův pár – vázaný pár fermionů (elektronů, neutronů či protonů) s boso­novými projevy. V případě elektronů vede na supravodivé vlastnosti některých materiálů za nízkých teplot. U nukleonů je vazba velmi silná a jedná se o klíčový proces zodpovědný za mnoho vlastností atomových jader.) jsou ze statistického hlediska bosonyBosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony a gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu.. Takové částice se za nízké teploty hromadí v jednom jediném kvantovém stavu, vytvářejí tzv. bosonový kondenzátBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde 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., který neklade tekoucímu proudu žádný odpor.

Supravodivost založená na tomto principu se dnes nazývá konvenční supravodivost. V roce 1986 byla ještě objevena vysokoteplotní supravodivost, která má jiný, dosud ne zcela prozkoumaný mechanizmus (viz AB 36/2004). Slovem vysokoteplotní se rozumí supravodivost materiálu za teploty běžně dostupného kapalného dusíku. Supravodivost tohoto typu vykazují některé keramiky, příkladem mohou být LBCOLBCO – Lanthan Barium Copper Oxide, oxid mědi s lanthanem a bariem, La_2−xBa_xCuO₄. Někdy se o této struktuře hovoří jako o 2-1-4 struktuře. Supravodivost s T_C nad 30 K byla objevena v roce 1986. , YBCOYBCO – Yttrium Barium Copper Oxide, Y₁Ba₂Cu₃O₇, oxid mědi s ytriem a bariem. První sloučenina, u které byla pozorována v roce 1987 supravodivost za teplot kapalného dusíku (kapalní při 77 K). Kritická teplota je 94 K. nebo 1-2-3 sloučeniny1-2-3 sloučeniny – sloučeniny, jejichž chemický vzorec začíná Y₁Ba₂Cu₃... Jde o různé variace na supravodivou keramiku YBCO.. Na některých pracovištích se podařilo vytvořit i materiály supravodivé za pokojové teploty, ale supravodivost byla jen krátkodobým nestabilním jevem, který silně narušuje i slabé magnetické pole. Stabilní supravodič, který by vedl dlouhodobě měřitelný proud za pokojové teploty, nebyl zatím připraven.

Experimenty se sirovodíkem

Po dlouhou dobu se zdálo, že konvenční supravodivost založená na Cooperových párechCooperův pár – vázaný pár fermionů (elektronů, neutronů či protonů) s boso­novými projevy. V případě elektronů vede na supravodivé vlastnosti některých materiálů za nízkých teplot. U nukleonů je vazba velmi silná a jedná se o klíčový proces zodpovědný za mnoho vlastností atomových jader. probíhá jen za velmi nízkých teplot. Žádné teoretické omezení pro hodnotu kritické teploty ale neexistuje a v principu by jev mohl probíhat i za pokojové teploty. Od objevu supravodivosti byla nalezena řada supravodivých materiálů, jejichž kritická teplota se pohybovala do 20 K. Asi největším světovým „lovcem“ supravodičů v historii se stal Bernd Matthias, který objevil zhruba 100 nových supravodivých látek. V roce 1973 připravil supravodivý Nb₃Ge s kritickou teplotou 23 K. Tato teplota byla až donedávna považována za nepřekonatelnou hranici teploty konvenčního supravodiče. Ke změně došlo v roce 2001, tedy po 28 letech. Japonskému týmu z AAG (Akimitsu of Aoyama-Gakuin) univerzity v Tokiu se podařilo připravit supravodivý diborid hořčíku MgB₂, který má kritickou teplotu 39 K. Posun to byl sice velký, ale nikoli zásadní, protože k chlazení na tuto teplotu nestačí kapalný dusík. Navíc se v roce 2001 už průmyslově vyráběly vysokoteplotní supravodiče s podstatně vyšší kritickou teplotou.

Podle BCS teorieBCS teorie – na konci 50. let 20. století vytvořili John Bardeen, Leon Cooper a John Robert Schrieffer teorii supravodivosti založenou na myšlence párování 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 (fonon). 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. jsou pro vznik Cooperových párůCooperův pár – vázaný pár fermionů (elektronů, neutronů či protonů) s boso­novými projevy. V případě elektronů vede na supravodivé vlastnosti některých materiálů za nízkých teplot. U nukleonů je vazba velmi silná a jedná se o klíčový proces zodpovědný za mnoho vlastností atomových jader. podstatné vibrace krystalové mříže. Čím vyšší frekvence, tím snazší je vznik Cooperových párů. Obecně na vyšších frekvencích kmitají lehčí prvky. Ideální by byl tedy samotný vodík, ale příprava jeho krystalické formy má zásadní problémy. Vyšší kritickou teplotu bylo možné očekávat u sloučenin bohatých na vodík. A tady přichází v roce 2015 na scénu sirovodík. Za normálních podmínek jde o bezbarvý silně jedovatý plyn, který kondenzuje na kapalinu při teplotě 213 K (–60 °C) a mění se na pevnou látku při teplotě 191 K (–82 °C). Tým vědců vedený Mikhailem Eremetsem z MPI spolu s vědci z Univerzity Johanna Guttenberga (obě instituce sídlí v německé Mohuči) konaly experimenty se sirovodíkem za extrémně vysokého tlaku. Sirovodík stlačovali za pomoci diamantové kovadlinyDiamantová kovadlina – zařízení, ve kterém je vzorek vystaven vysokému tlaku mezi dvěma diamantovými nástavci. Rovnoměrného rozložení tlaku na vzorek je dosaženo vyplněním prostoru kapalinou, například vodou, nebo dokonalým utěsněním prostoru.. Supravodivého stavu dosáhli za tlaku 150×10⁹ Pa (1,5×10⁶ atmosfér) při teplotě 203 kelvinů (–70 °C). Podle výpočtů by se za těchto tlaků měl H₂S měnit na H₃S, tedy sloučeninu na vodík bohatší než sirovodík. Vibrace vodíku by měly být zodpovědné za tvorbu Cooperových párů. Výsledek je velmi překvapivý, nejde sice o pokojovou teplotu, ale o teplotu, která už byla na Zemi naměřena. Své výsledky tento vědecký tým publikoval v srpnovém vydání prestižního časopisu Nature.

* * *

Ihned po publikaci se vynořily pochybnosti, zda jde skutečně o konvenční supravodivost, tj. supravodivost založenou na formování Cooperových párů. Mohlo by totiž jít o nějaký jiný exotický mechanizmus, například o supravodivost spojenou s děrovou vodivostí  aniontů síry. Pokud se však prokáže, že jde o konvenční supravodivost, znamená tento experiment zásadní průlom. Hledání supravodivosti ve sloučeninách bohatých na vodík by mohlo vést k přípravě konvenčních supravodičů za pokojové teploty.

Diamantová kovadlina použitá v experimentu. Zdroj: JGU Mohuč.

Odkazy