Potraga za novim supravodičima
Kocka na slici lebdi nad magnetom. U supravodljivom je stanju, a supravodiči nastoje izbaciti magnetno polje iz sebe, i samim time odmicati se što dalje od magneta. Da kocka nema masu, tj. da je ne privlači gravitacija, otišla bi prema gore u beskonačnost (ili do prve prepreke).
Osim što supravodičkim materijalima možemo učiniti da kockice lebde, istim principom možemo postići da lebde vlakovi, a to je zgodno jer lebdeći vlakovi ne troše energiju na trenje. Vlakovi tada mogu voziti brže, i uz manju potrošnju goriva.
Možemo zamisliti korištenje supravodiča i u izradi dalekovodnih žica, za prijenos električne energije. Naime, jedna od glavnih odlika tih neobičnih materijala je da ne pružaju otpor u protoku električne struje, i u principu za pokretanje istosmjerne struje nije uopće potrebno potrošiti energiju. Tu se može primijetiti potencijal supravodiča u problemu smanjenja emisija CO2, jer bi se smanjenjem potrošnje energije u prijenosu smanjila i potreba za samom proizvodnjom energije, koja uključuje i prljave načine koje proizvode značajne količine CO2, posebice u nerazvijenim zemljama.
U čemu je problem?
Detalj za primijetiti na slici je i “dim”. On dolazi od kondenzacije vodene pare (prirodno prisutne u zraku svuda oko nas), a do kondenzacije dolazi jer je kocka, i njena okolina, tekućim dušikom ohlađena na temperature daleko ispod nule, otprilike minus 200 stupnjeva Celzijusa. Hlađenjem tekućim dušikom se moramo koristiti za postizanje stanja supravodljivosti u svim materijalima koji su nam danas poznati, i upravo u tome je problem sa ovim neobičnim fenomenom koji ima velik potencijal: postiže se na preniskim temperaturama, daleko ispod nule.
Sveti gral supravodljivosti bio bi materijal koji bi supravodljivo stanje mogao postići na sobnoj temperaturi. Tada bi primjena bila neusporedivo jednostavnija, i vjerojatno bi uslijedila tehnološka revolucija.
Treba napomenuti da je opravdanje nadi u takvo otkriće to što se nešto slično već dogodilo. Naime, u početku su supravodiči, materijali prve generacije, išli maksimalno do oko 30 Kelvina iznad apsolutne nule, dakle oko minus 240 stupnjeva celzijusa. Drugim riječima, čim bi im temperatura prešla tu kritičnu temperaturu od maksimalno do 30-ak Kelvina, prestali bi biti supravodljivi. Međutim, kasnije je sasvim slučajno otkrivena nova klasa, takozvanih visokotemperaturnih supravodiča, kojima je kritična temperatura znatno viša, i to za oko 100 stupnjeva. Dakle ta druga generacija supravodiče ide i do minus 140–120 stupnjeva celzijusa. Naziv “visokotemperaturni supravodiči” referira se na to da im je kritična temperatura viša od one prve generacije materijala. I dalje je to daleko od sobne temperature, ali je znatan napredak! No sada imamo još viši cilj — dovesti kritičnu temperaturu do sobne.
Možda ste prije nekog vremena iz medija doznali da se takvo što već uspjelo postići: izmjerili su supravodljivo stanje vodika na sobnoj temperaturi! Međutim, kvaka je u tome što je tlak pod kojim je vodik u tom eksperimentu — prevelik (nekoliko milijuna puta veći od atmosferskog). Predlagala su se neobična rješenja, poput onog da se vodik pod takvim tlakom zarobi u dijamantni oklop, pa bi dijamant kao najizdržljiviji materijal trpio silu koju uzrokuje razlika između tlaka pod kojim je vodik i vanjskog, atmosferskog tlaka. Ideja je bila dakle, da se stvore dijamantne žice [1] ! To zvuči dosta skupo — i jest — ali nešto manje otkad u laboratorijima uspijevaju napraviti umjetne dijamante, i to toliko kvalitetne da ih je ponekad teško razlikovati od onih prirodnih [2]. No, ipak, to je samo jedna šaljiva ideja.
Koja je naša ideja?
Ideja na koju se fokusiramo u mom teorijskom laboratoriju [3] ne uključuje nikakav luksuz. Počiva na objašnjenju zašto, za razliku od prve generacije materijala, visokotemperaturni supravodiči uopće uspijevaju biti supravodljivi na tako visokim temperaturama. Nadamo se da teorijskim razumijevanjem tog mehanizma možemo predložiti nove materijale koji će dostići još i više temperature.
Mehanizam koji predlažemo je Casimirov efekt, a pojavljuje se zbog posebne strukture visokotemperaturnih supravodiča. Naime, prva generacija materijala [4] su homogeni, jednostavni metali, primjerice aluminij — ukratko, ako uzmemo kocku čistog aluminija i ohladimo je na oko 1 Kelvin, postane supravodljiva. Međutim, visokotemperaturni supravodiči su drugačije strukture: slikovito, izgrađeni su od (tankih) plahti različitih spojeva naizmjenično naslaganih jedni na druge. U supravodljivom stanju dio tih slojeva postane supravodljiv. To je idealan scenarij za Casimirov efekt.
Što je Casimirov efekt?
Uzmite dvije metalne ploče, bez ikakvog električnog naboja, i stavite ih paralelno jednu pored druge, u vakuumu. Što će se dogoditi?
Gotovo svakome se čini da se neće dogoditi ništa — osim ako ne provedete odgovarajući kratki račun, u okviru kvantne teorije polja — tada saznate da se takve dvije ploče privlače.
To se događa zbog Casimirovog efekta, a može se objasniti slično van der Waalsovom efektu.
Ukratko, iako su ploče neutralne, tj. ukupno nemaju električnog naboja, zbog toga što je u pozadini kvantna fizika, uvijek postoji neko minimalno gibanje naboja u atomima koje sačinjavaju metalnu ploču. Dakle, čak i neutralni atom je u danom vremenskom trenutku s neke strane malo pozitivniji, a s druge negativniji, i tako dalje, i to sve kao posljedica kvantne fizike. Naravno, slično vrijedi i za neutralne metalne ploče, koje nisu ništa doli uređena nakupina ogromne količine nekih atoma.
Sljedeći korak: izmjenom virtualnih fotona to kvantno komešanje naboja u jednoj ploči lagano se sinkronizira sa komešanjem naboja na drugoj ploči. Na koji način? Pojednostavljeno, iako je prosječno u vremenu naboj na ploči uvijek nula, u komešanjima naboja, u takvim harmoničkim fluktuacijama, ipak je uvijek u pravom trenutku pozitivni naboj na jednoj ploči bliži negativnom naboju na drugoj ploči. A kako znamo još iz vrtića, suprotni naboji se privlače.
I to je u pozadini privlačne Casimirove sile — kvantne fluktuacije naboja uzrokuju da izmjenom virtualnih fotona pozitivni naboji na jednoj ploči budu bliže negativnim na drugoj, i ploče se tad privlače. Ona je, naravno znatno slabija nego Coulombova sila, i dugo je trebalo da je se eksperimentalno potvrdi.
Što mi radimo? [3]
Ideja je, dakle, da se u slojevima visokotemperaturnog supravodiča javlja upravo ovaj efekt, i da on nadoknađuje energiju koju je potrebno uložiti za stvaranje supravodičkog stanja.
Trenutno je u tijeku priprema eksperimenata sa Tehničkim sveučilištem u Delftu kako bi se potvrdila ili opovrgnula hipoteza da je Casimirov efekt zaista u pozadini energijske stabilnosti visokotemperaturnih supravodiča, a u međuvremenu nekad mozgamo i, pretpostavljajući ispravnost hipoteze, o tome kakve bi materijale mogli predložiti kao kandidate za sobnotemperaturne supravodiče — a ako se otkriju materijali koji su supravodljivi na još višim temperaturama, trebat će biti kreativan u osmišljavanju njihovih naziva. Možda se priklonimo njemačkoj tradiciji i nazovemo ih iznadsobnotemperaturni supravodiči.
Barbara Šoda
bsoda@uwaterloo.ca
Reference:
[1]https://www.cbc.ca/radio/quirks/jan-19-2019-tuskless-elephants-room-temperature-superconductors-how-space-changed-a-man-and-more-1.4981750/discovery-of-near-room-temperature-superconductors-could-bring-floating-trains-and-more-1.4981765
[2]https://www.nytimes.com/2018/02/09/your-money/synthetic-diamond-jewelry.html
[3]https://uwaterloo.ca/physics-of-information-lab/
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Conventional_superconductor
