(Ne)dosiahnuteľná supravodivosť

V júli 2023 obletela svet správa, že vedci z Južnej Kórey objavili supravodivosť materiálu LK-99 (CuO₂₅P₆Pb₉) pri izbovej teplote a atmosférickom tlaku. Táto správa vzbudila veľký záujem nielen v odbornej komunite, ale aj širokej verejnosti. Nadšenie však trvalo len tri týždne.

Niekoľko ďalších vedeckých pracovísk v rôznych častiach sveta následne vyrobilo tento materiál a zistili, že publikované výsledky neboli prejavom supravodivosti, ale magnetizmu. Nebolo to však po prvýkrát, keď sa publikovali výsledky objavu supravodivosti pri izbovej teplote a po istom čase boli vyvrátené.

Bez odporu a strát

Pri prechode elektrického prúdu bežným vodičom dochádza vždy k strate časti energie vo forme tepla, čo závisí od elektrického odporu materiálu. Supravodič však vedie jednosmerný elektrický prúd bez odporu, čiže nedochádza k žiadnym stratám energie. Materiál je však supravodivý len vtedy, keď nie sú prekročené jeho kritické parametre, teda kritická teplota (T_c), kritická prúdová hustota (j_c) a kritické magnetické pole (H_c), ktoré vytvárajú tzv. kritickú plochu supravodivosti. Materiál je teda supravodivý iba vtedy, keď je vystavený podmienkam pod touto plochou.

Technológia pre ekológiu

V Európe a USA sa priemerne stratí len v elektrických vedeniach približne 5 % energie vo forme tepla. V niektorých menej rozvinutých krajinách je táto hodnota až 20 %, čo závisí od množstva elektrického vedenia potrebného na distribúciu energie. Nehovoriac o stratách energie v transformátoroch, ktoré by už neboli potrebné pri distribúcii prúdu v supravodivých vedeniach. Vo väčšine aplikácií, v ktorých sa v súčasnosti supravodiče využívajú (magnetická rezonancia, urýchľovače častíc, vlaky maglev atď.), musia byť chladené kvapalným héliom (4,2 K alebo -269 °C), ktorého cena je relatívne vysoká a každým rokom rastie. Z praktického a finančného hľadiska je potreba chladenia supravodičov jedným z rozhodujúcich faktorov pre ich použitie v širšom rozsahu.
Objav materiálu, ktorý je supravodivý pri izbovej teplote, by mal teda výrazný technologický význam (za predpokladu, že by spĺňal aj ďalšie kritériá ako cena, hodnoty j_c a H_c, mechanické vlastnosti atď.). Uvoľnená energia zo strát by sa mohla ihneď využiť alebo by umožnila zredukovať počet elektrární, čo by malo významný ekologický vplyv. Pri už existujúcich aplikáciách supravodivosti by sa ušetrili nemalé finančné prostriedky na chladenie. Použitie takého materiálu by tiež viedlo k vyššej výpočtovej rýchlosti počítačov, citlivejším elektronickým zariadeniam, senzorom a mnohým ďalším.

Začiatky

V roku 1911 Heike K. Onnes meral teplotnú závislosť elektrického odporu ortuti (Hg) a zistil, že pri teplote 4,2 K (0 K = -273,15 °C, čo je najnižšia možná teplota) odpor náhle klesne k nule. Tento jav pomenoval ako supravodivosť materiálov a v roku 1913 mu bola za tento objav udelená Nobelova cena.
Supravodivosť bola postupne objavená aj v ďalších materiáloch, pričom sa dosahovali aj rekordy v kritických teplotách, napríklad Pb (T_c = 7,2 K; rok objavu 1912), Nb (9,2 K; 1930), NbN (16 K; 1941), V₃Si (17,1 K; 1954) alebo Nb₃Sn (18,3 K; 1954).

Pôsobenie tlaku

Pri niektorých materiáloch sa však uvádza aj pôsobiaci tlak, pri ktorom je materiál supravodivý. Pôsobením tlaku sa supravodivosť môže prejaviť aj pri zdanlivo nesupravodivých materiáloch. Takýto materiál sa zväčša vloží do kompresnej kvapaliny, ktorá je stlačená diamantovými blokmi, čo spôsobí rovnomerné pôsobenie tlaku na vzorku.
V periodickej tabuľke prvkov sú označené prvky, ktoré sú supravodivé pri normálnom (1 atmosféra) a pri vysokom tlaku. Z prvkov, ktoré sú supravodivé pri atmosférickom tlaku, má najvyššiu kritickú teplotu niób 9,2 K. Ostatné supravodivé prvky vykazujú supravodivosť len pri tlakoch rádovo jednotiek až stoviek GPa (100 GPa sa rovná miliónkrát vyššiemu tlaku, než je atmosférický) alebo len v modifikovaných formách, napríklad chróm (Cr) ako veľmi tenká vrstva, olovo (Pb) pri ožiarení, uhlík (C) len v modifikácii nanorúrky alebo platina (Pt) v práškovej forme.

BCS teória

Od objavu supravodivosti trvalo ďalších 46 rokov, kým bola v roku 1957 publikovaná mikroskopická teória supravodivosti, tzv. BCS teória pomenovaná po jej autoroch (J. Bardeen, L. Cooper, J. R. Schrieffer), za ktorú dostali Nobelovu cenu. Podľa tejto teórie sa pod kritickou teplotou supravodiča tvoria pomocou interakcie elektrón-fonón (fonón je kvázičastica prenášajúca vibrácie kryštálovej mriežky) dvojice viazaných elektrónov do tzv. Cooperových párov, ktoré sa v materiáli pohybujú bez odporu. BCS teória správne opisuje magnetické vlastnosti, hodnoty kritických teplôt supravodičov a tiež predpovedala supratekutosť He₃, ktorá však bola experimentálne dokázaná až v roku 1972.
Ďalší rekord kritickej teploty supravodiča padol v roku 1973 v materiáli Nb₃Ge s T_c = 23,2 K. BCS teória považovala túto teplotu za neprekonateľnú hranicu kritickej teploty a dovtedy objavené supravodiče túto podmienku aj spĺňali. Nečakaný objav nastal až v roku 1986, keď bola objavená supravodivosť keramických materiálov (kuprátov) pri teplotách oveľa vyšších, ako je 23,2 K.

Kupráty

V roku 1986 Karl A. Müller a Johannes G. Bednorz objavili supravodivosť v keramickom materiáli LaBaCuO₄ s T_c = 35 K. Krátko na to, v roku 1987, vytvorený kuprát YBa₂Cu₃O₇ vykazoval kritickú teplotu až 92 K. Takýto materiál už mohol byť chladený lacným a dostupným kvapalným dusíkom (77 K alebo -196 °C). Jav pomenovali ako vysokoteplotná supravodivosť a získali zaň Nobelovu cenu.
Postupne objavili ďalšie supravodivé materiály zo skupiny kuprátov, pričom HgBa₂Ca₂Cu₃O₈ s T_c = 138 K (-135 °C) objavený v roku 1993 je v súčasnosti materiál s najvyššou dosiahnutou kritickou teplotou pri atmosférickom tlaku. Od prvej chvíle objavu vysokoteplotnej supravodivosti bolo jasné, že ide o nový mechanizmus supravodivosti a že Cooperove páry vznikajú odlišným spôsobom než interakciou elektrón-fonón, ako to opisuje BCS teória. Pre vysokoteplotnú supravodivosť v súčasnosti neexistuje ucelená teória, ktorá by na mikroskopickej úrovni opisovala supravodivosť týchto materiálov.

Hydridy

Ďalší prelom nastal až v roku 2015, keď bola objavená supravodivosť materiálu H₂S pod tlakom 155 GPa s T_c = 203 K. V roku 2019 bol prekonaný aj tento rekord, keď hydridu LaH₁₀ bola nameraná T_c = 250 K (-23 °C) pri tlaku 190 GPa, čo je v súčasnosti najvyššia potvrdená kritická teplota supravodivého materiálu. Treba však poznamenať, že materiál, ktorý je supravodivý len počas pôsobenia vysokého tlaku, nemá v podstate žiadne využitie v praxi.
Zaujímavosťou je, že v roku 2020 publikovali v časopise Nature článok o supravodivosti materiálu CH₈S s T_c = 288 K (15 °C) pri tlaku 267 GPa. Výsledky sa nakoniec nepotvrdili a článok bol až po dvoch rokoch stiahnutý. Za posledných 15 rokov bolo nadšenie okolo objavenia supravodiča pri izbovej teplote už minimálne štyrikrát a všetky boli vyvrátené. Naposledy pri materiáli LK-99, pri ktorom došlo k vyvráteniu výsledkov už po troch týždňoch.
V súčasnosti sú známe už tisíce supravodičov z rôznych materiálových skupín, ale zatiaľ ani jeden pri izbovej teplote. Najsľubnejšími kandidátmi sú materiály ScH₁₂ a Li₂MgH₁₆, ktoré by mohli byť na základe materiálových modelov supravodivé pri izbovej teplote, no aj v týchto prípadoch za pôsobenia vysokého tlaku rádovo stoviek GPa. Na sformulovanie teórie vysokoteplotnej supravodivosti a na ďalšie rekordy kritických teplôt supravodičov či už pri atmosférickom, alebo pri vysokom tlaku si teda ešte musíme počkať.

Text a ilustrácie Ing. Rastislav Ries, PhD.
Elektrotechnický ústav SAV, v. v. i., v Bratislave