Praca ta rozpoczęła się w 1975 roku, podczas realizacji projektu dyplomowego w Moskiewskim Instytucie Technologii Elektronicznej. Następnie chciałem stworzyć filmowy element aktywny za pomocą gorących elektronów. Ale kiedy dowiedziałem się o hipotezie Ginzburga-Kirzhnitsa, zaproponowanej w 1963 roku, zdałem sobie sprawę, że kanapki, które miałem przygotować, dokładnie spełniały wymagania tej hipotezy.

W 1957 r Bardeen-Cooper-Schrieffer stworzył teorię nadprzewodnictwa, w której główną rolę w zjawisku nadprzewodnictwa przypisywano tworzeniu się sparowanych elektronów w wyniku oddziaływania z fononami, a temperaturę krytyczną przejścia metalu w stan nadprzewodnictwa wyznacza się wzorem pewną charakterystyczną temperaturę fononów. Ta charakterystyczna temperatura jest w przybliżeniu równa temperaturze Debye'a fononów, a temperaturę krytyczną przejścia metalu w stan nadprzewodzący określa wzór:

gdzie g stała proporcjonalna do siły przyciągania pomiędzy elektronami. Ponieważ temperatura Debye'a fononów nie może przekraczać kilkuset stopni, przybliżone oszacowanie mechanizmu nadprzewodnictwa fononowego w tamtym czasie wykazało, że temperatura krytyczna mechanizmu fononowego nie może przekroczyć 25° K. Dlatego Ginzburg-Kirzhnits zaproponował wykorzystanie innych cząstek do parowania elektrony, na przykład typ ekscytonów elektronowych. Ponieważ temperatura Debye'a ekscytonów może wynosić tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy stopni, zgrubne obliczenia teoretyczne wykazały, że temperatura krytyczna mechanizmu ekscytonowego przejścia metalu do stanu nadprzewodzącego może osiągnąć 300 ° K lub więcej, co odpowiada do temperatury pokojowej i wyższej. Tak narodził się projekt kanapki Ginzburga-Kirzhnitza dla ekscytonowego mechanizmu nadprzewodnictwa, co widać na rys. 1, choć teraz już wiem na pewno, że w takiej kanapce parowanie elektronów nigdy nie nastąpi poprzez oddziaływanie z ekscytonami.

Ryc. 1 Sandwich dla mechanizmu ekscytonowego nadprzewodnictwa.

Co więcej, mogę powiedzieć, że podczas opracowywania ekscytonowej teorii nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego popełniono niedokładność w obliczaniu funkcji fal elektronowych, dlatego temperatura krytyczna mechanizmu ekscytonowego może osiągnąć nie tylko temperaturę pokojową, ale także ją kilka razy przekroczyć czasy. Miałem wówczas okazję spotkać się z jednym z twórców teorii nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Kiedy zapytałem go, czy ekscytonowy mechanizm nadprzewodnictwa mógłby powstać w strukturze składającej się z metalowych kulek mierzących kilka odległości międzyatomowych, otoczonych cienką warstwą dielektryka i skompresowanych do odległości międzyatomowych. Odpowiedział, że właśnie w takich strukturach należy to obserwować. Od tego czasu zaczął tworzyć kanapki wielowarstwowe, w których warstwa główna miała wspomnianą wyżej strukturę. Pod koniec pracy dyplomowej odkryłem, że na kilku próbkach występują skoki prądu w charakterystyce prądowo-napięciowej, a ich przewodność zmienia się o rząd wielkości przy określonym napięciu. Pokazano to na ryc. 2. Rysunek 3 przedstawia typową charakterystykę struktur nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik.

Ryc.2 V.A.H. próbki mierzone w 1976 r

Rys. 3 Typowe charakterystyki prądowo-napięciowe konstrukcji nadprzewodnik izolator nadprzewodnik.

Takie zachowanie charakterystyki prądowo-napięciowej w badanych zjawiskach występuje jedynie w strukturach nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik (S - I -S). Spotkałem się ponownie z jednym z twórców teorii wysokich temperatur i udało mi się go przekonać, że takie cechy mogą nadawać strukturySI-S. Nie wierzył w te wyniki, gdyż teoretycznie dowodziły, że w praktyce praktycznie nie da się zastosować ekscytonowego mechanizmu nadprzewodnictwa, gdyż metal musi mieć grubość 5Å, a jest to jedna warstwa atomowa, której nie da się uzyskać. Ale teoria jest teorią, a praktyka pozostaje kryterium prawdy.

Pomyślałem, że po przybyciu do Woroneża na zlecenie mogę od razu kontynuować pracę. Ale los potoczył się inaczej. Kiedy przeczytałem ten artykuł w 1987 r. o odkryciu ceramiki nadprzewodzącej, gdzie napisano, gdy Müller przybył do Bednorza i zapytał, jak stworzyć strukturę składającą się z metalowych kulek o kilku rozmiarach międzyatomowych, otoczonych cienką warstwą dielektryka i skompresowanych do odległości międzyatomowych. Odpowiedzią było spiekanie ceramiki. Tak narodziła się ceramika nadprzewodząca, której temperatura krytyczna sięgała wówczas 112° K. Potem myślałam, że już niedługo osiągnie temperaturę pokojową. Jedyne, co mnie trochę pocieszyło, to fakt, że próbki uzyskano nie w wyniku spiekania ceramiki, ale w wyniku naturalnej uprawy w określonych środowiskach. Po tej wiadomości całkowicie porzuciłem nadprzewodnictwo. Jednak od odkrycia ceramiki nadprzewodzącej minęło prawie dwadzieścia lat i nie ma żadnych doniesień o odkryciu nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej.

W grudniu 2002 r Wpadłem na pomysł, aby jeszcze raz przyjrzeć się próbkom wykonanym prawie 30 lat temu. Przyszedłem do garażu, otworzyłem walizkę moich uczniów i zaniosłem ich do laboratorium. A teraz o tym, co na nich widziałem.

Na ryc.4 , Ryż.5 , Ryż.6 , zobaczysz trzy wykresy i VAC., W górępół Courodzony w 1976 roku, pośrodku znajduje się typowa charakterystyka prądowo-napięciowa. dla struktur S-I-S,Na dnie CVC. próbki pomierzone w 2002 roku

Rys.4 V.A.H. wymierzony w 1976 r

Rys.5 Typowy V.A.H. Struktury S-I-S.

Rys.6 V.A.H. wymierzony w 2002

Wszystkie mają trzy charakterystyczne sekcje, początkowo o dużej rezystancji, a następnie, gdy napięcie osiągnie 2Δ / mi , skok prądu, a trzeci jak w konwencjonalnym drążeniu tuneli w konstrukcjach metal-izolator-metal. Jeśli jednak uzyskane charakterystyki powiązać ze zjawiskiem nadprzewodnictwa, to musi istnieć temperatura krytyczna, w której nadprzewodnictwo zanika. Podczas podłączania próbek do źródła prądu stałego, na charakterystyce prądowo-napięciowej. obserwuje się pętlę gestyrezy. Ponadto szerokość gestyrezy jest funkcją temperatury i w temperaturze krytycznej staje się równa zeru. Na ryc. 7 widać zależność szerokości gestyrezy od temperatury.

Ryc. 7. Zależność szerokości gestyrezy od temperatury:

a) w temperaturze 77°K, b) w temperaturze 300°K, c) w temperaturze 620°K.

Można założyć, że w tak złożonych kanapkach warstwowych histerezę mogą powodować ruchome jony. Ale w tym przypadku wraz ze spadkiem temperatury szerokość gestyrezy powinna się zmniejszać, ponieważ zmniejsza się ruchliwość jonów. A na wykresach ryc. 7 widzimy odwrotny obraz: wraz ze spadkiem temperatury zwiększa się szerokość gestyrezy, co jest typowe tylko dla konstrukcji SI-S. Na podstawie tych wyników można stwierdzić, że krytyczna temperatura przejścia badanych próbek w stan nadprzewodzący wynosi około 620°K. lub 350°C.

Jeśli te próbki są nadprzewodnikami, to powinny na nich występować efekty Josephsona. Dzieląc próbkę na części, identyfikowano obszary, w których grubość dielektryka pomiędzy metalami nie przekraczała 20 Å. Podczas pomiaru wybranych próbek na znacznikach krzywych, przy przyłożeniu napięcia przemiennego o częstotliwości 50 Hz. na ekranie zaobserwowano elipsę. Można to zobaczyć na ryc. 8

Ryc.8. Elipsa na napięciu przemiennym.

Ryc.9. Elipsa plus impulsygenerator kroków.

Jak powiedział mi pewien moskiewski profesor: elipsa jako elipsa nie ma w sobie nic interesującego. Rzeczywiście ma prawidłowy kształt geometryczny i w samej elipsie nie ma nic ciekawego. Ciekawostką jest sposób, w jaki uzyskano to na ekranie charakterografu. Istnieją dwa sposoby uzyskania elipsy: z jednego źródła sygnału poprzez łańcuch RC lub z dwóch źródeł sygnału. Wariant pierwszy symulowano za pomocą programu komputerowego. Gdy elipsa zbliżała się do osi pionowej lub poziomej, elipsa degenerowała się do linii prostej. Jak widać na ryc. 8, elipsa jest prawie pozioma. Oznacza to, że elipsę uzyskano przy użyciu dwóch źródeł sygnału. Jeśli jednym źródłem sygnału jest znacznik krzywej, drugim źródłem sygnału może być tylko badana próbka. Jeśli spojrzysz na rys. 9 na innym znaczniku krzywej, to po włączeniu generatora schodkowego na elipsie obserwuje się impulsy generatora schodkowego. Próbka zachowuje się w taki sposób, że niezależnie od tego, jaki sygnał otrzyma, jest tym, co generuje. Wiem, że nic nie wiadomo na temat generowania niskich częstotliwości przez złącza Josephsona. Ale łatwo to sprawdzić dla tych, którzy mają okazję pracować z tymi przejściami. Wystarczy podłączyć jeden z nadprzewodników poprzez pojemność, a na ekranie krzywej będzie można obserwować elipsę i impulsy oraz każdy inny sygnał używany w charakterystyce krzywej.

Aby zbadać próbki pod prądem stałym, pojemność została usunięta. Próbkę podłączono do znacznika krzywej jak do źródła prądu stałego. W rezultacie przy zerowym napięciu na próbce płynął przez nią prąd stały. Można to zobaczyć na ryc. 10. W nadprzewodnictwie taki prąd nazywany jest stałym nadprzewodzącym prądem Josephsona i jest spowodowany tunelowaniem par Coopera w przypadku naruszenia ich spójności fazowej.

Ryc. 10. Nadprzewodnictwo prądu przy zerowym napięciu na próbce.

Ryc. 11. Zależność prądu nadprzewodzącego od pola magnetycznego pola.

Ryc. 12. KontrolaZnadprzewodnictwo wstrząs elektryczny

Jeśli jest to prąd nadprzewodzący, to w polu magnetycznym powinien dać wzór dyfrakcyjny. Doświadczenie przeprowadzono z użyciem magnesów trwałych, a odległość magnesu od próbki była różna. Prąd mierzono jako funkcję odległości magnesu od próbki. Wyniki uzyskane można zobaczyć na ryc. 11. Przechylenie w lewo, zgodnie z teorią nadprzewodnictwa, wiąże się z dodaniem własnego pola magnetycznego do pola zewnętrznego, co następuje przy dużych prądach płynących przez złącze. Chcę od razu powiedzieć, że badając osobno każdą warstwę tworzącą kanapkę, nie zaobserwowano żadnej z powyższych cech. Można zatem założyć, że powstawanie par Coopera następuje poprzez oddziaływanie elektronów w warstwie głównej z cząstkami w innej warstwie. Być może jest to mechanizm ekscytonowy. A jeśli tak jest, to za pomocą dodatkowej metalowej elektrody znajdującej się w warstwie można łatwo kontrolować prąd nadprzewodzący. Po przyłożeniu impulsów z generatora schodkowego do elektrody dodatkowej na ekranie wykresu krzywej pojawiła się rodzina charakterystyk wyjściowych. Można to zobaczyć na ryc. 12. Przypomina rodzinę charakterystyk wyjściowych tranzystorów. Dlatego też, wykorzystując efekt sterowania prądem nadprzewodzącym, możliwe jest tworzenie elementów aktywnych służących do przetwarzania i wzmacniania sygnałów elektrycznych. Urządzenia stworzone przy użyciu tego efektu będą mogły pracować w temperaturach od 0°K. do 620°K. oraz przy częstotliwościach powyżej 100 GHz. Zatem na ryc. 12 widać charakterystykę pierwszego nadprzewodzącego aktywnego urządzenia do przetwarzania i wzmacniania sygnałów elektrycznych.

A teraz o badaniu absorpcji i emisji mikrofalowych fal elektromagnetycznych. Próbkę podłączono do znacznika krzywej jako źródła napięcia. Początkowy przekrój węzła Josephsona można zobaczyć na ryc. 13.

Rys. 13. Początkowy przekrój charakterystyki prądowo-napięciowej.

Rys. 14. Charakterystyka prądowo-napięciowa. gdy jest narażony Mikrofalowe fale elektromagnetyczne.

Ryc. 15. Struktura warstwy głównej.

Na początku odcinka obserwuje się histerezę, której szerokość zależy od pola magnetycznego. Po przyłożeniu pola magnetycznego szerokość gestyrezy wzrasta. To przejście zostało wystawione na działanie mikrofal. promieniowania, a wyniki przedstawiono na ryc. 14. Jak widać, w wyniku absorpcji fal elektromagnetycznych powstał poziomy schodek. Wielkość tego kroku w woltach jest powiązana z częstotliwością napromieniowania, ładunkiem elektronu i stałą Plancka. Wstępne pomiary i obliczenia stałej Plancka pokazują, że jej wartość pokrywa się z wartością tabelaryczną z dokładnością do 0,02 proc. Aby poprawić dokładność, potrzebne są skalibrowane przyrządy pomiarowe. A teraz o promieniowaniu fal elektromagnetycznych. Jeśli zwiększymy prąd przepływający przez próbkę, nad powierzchnią utworzą się czerwono-fioletowe kulki plazmy, co odpowiada plazmie powietrznej. Dzieje się tak, gdy intensywność emitowanych mikrofal. fale elektromagnetyczne osiągają wartości wystarczające do zjonizowania cząsteczek powietrza. W wyniku powstawania perełek plazmy na powierzchni próbki powstaje ślad, który w niewielkim stopniu odsłania strukturę materiału głównej warstwy kanapki. Można to zobaczyć na ryc. 15. Zdjęcie zostało wykonane przy bardzo dużym powiększeniu, więc ostrość nie jest zbyt dobra.

Omówmy teraz uzyskane wyniki. Musiałem spotkać się z naukowcami i specjalistami. Niektórzy z nich próbują wyjaśnić rezultaty uzyskane za pomocą zjawisk kontaktowych, choć nie podają jakich. Dlatego chciałbym powiedzieć, że wydaje się, że mają oni słabe zrozumienie charakterystyki zjawisk kontaktowych, a zwłaszcza zjawisk tunelowych w konstrukcjach S-JEST. Inni zgadzają się, że wszystkie podane cechy odpowiadają strukturomS-I -S, ale aby potwierdzić nadprzewodnictwo, należy zmierzyć podatność diamagnetyczną próbek, ponieważ po przejściu do stanu nadprzewodnictwa wszystkie materiały stają się silnie diamagnetyczne. Zgadzam się z tym. Ale podejdźmy do tego problemu od drugiej strony. Załóżmy, że badamy właściwości diamagnetyczne materiałów, nie znamy wyników podanych w tej pracy, a takie struktury przychodzą do nas. Wykrywamy na nich silny diamagnetyzm w temperaturze pokojowej, podobnie jak nadprzewodniki. Czy możemy powiedzieć, że jest to nadprzewodnictwo? Oczywiście, że nie, ponieważ główną właściwością nadprzewodnictwa jest to, że rezystancja przewodnika wynosi zero. Jeśli spojrzysz na rys. 10, wówczas przy zerowym napięciu przez próbkę przepływa prąd. A to tylko potwierdza, że ​​rezystancja próbki wynosi zero. Ponadto wszystkie efekty Josephsona kojarzone są wyłącznie z tunelowaniem par Coopera, a w badanych próbkach obserwujemy prawie wszystkie efekty Josephsona. Oznacza to, że można argumentować, że w badanych próbkach występują pary Coopera, a istnienie par Coopera jest głównym warunkiem wystąpienia nadprzewodnictwa, zgodnie z teorią BCS. W trakcie badań odkryto krytyczną temperaturę i prąd, a próbki w polu magnetycznym zachowują się tak samo, jak struktury nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik. Dlatego nie ma wątpliwości, że metalowe kulki otoczone cienką warstwą dielektryka znajdują się w stanie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej i wyższej. Badania diamagnetyczne próbek przeprowadzimy najszybciej jak to będzie możliwe. Nie ma jednak wątpliwości, że właściwości diamagnetyczne próbek będą takie same jak właściwości konwencjonalnych nadprzewodników, ponieważ w przyrodzie nie ma dwóch różnych zjawisk, które wykazują te same właściwości. Dziękuję za uwagę. Będę wdzięczny wszystkim, którzy zechcą wesprzeć i pomóc w tym dziele.

Literatura:

1. Ginzburg V.L., Kirzhnits D.A. Problem nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego - M.: Nauka, 1977. – 400 s.

2.Bukkel V. Nadprzewodnictwo. – M.: Mir, 1975.-364 s.

3. Solimar L. Efekt tunelowy w nadprzewodnikach. – M.: Mir, 1974.- 428 s.

4. Strona internetowa Derunov V

Prawa autorskie do ilustracji Thinkstock Tytuł Zdjęcia Nadprzewodniki można wykorzystać do tworzenia sieci elektrycznych

W temperaturze około -270 stopni Celsjusza niektóre metale umożliwiają przepływ prądu elektrycznego bez oporu. Naukowcy nauczyli się jednak osiągać nadprzewodnictwo w wyższej temperaturze około 130 kelwinów (-143 stopni Celsjusza) i nie poprzestają na tym, wierząc, że tę cenną właściwość można odtworzyć w temperaturze pokojowej.

Nadprzewodniki charakteryzują się całkowitym brakiem rezystancji. Tak zwane nadprzewodniki typu I całkowicie wypierają pole magnetyczne.

Podobne substancje typu II pozwalają na jednoczesne występowanie nadprzewodnictwa i silnego pola magnetycznego, co sprawia, że ​​zakres ich zastosowań jest niezwykle szeroki.

Co to jest nadprzewodnictwo?

Samo zjawisko opisał holenderski chemik i fizyk Heike Kammerling-Ottes w 1911 roku. Dwa lata później otrzymał Nagrodę Nobla.

Pojęcie nadprzewodnictwa po raz pierwszy pojawiło się w pracach naukowych radzieckiego akademika Lwa Landaua, który, nawiasem mówiąc, otrzymał za swoją pracę Nagrodę Nobla w 1962 roku.

Nadprzewodnictwo metali wyjaśnia się za pomocą koncepcji tak zwanych „par Coopera”: dwóch elektronów połączonych kwantem o całkowitym zerowym momencie pędu.

Podobne pary elektronów występują w sieci krystalicznej niektórych metali po schłodzeniu do ekstremalnie niskich temperatur.

Jednak później, przy pomocy miedzianów – ceramiki o dużej zawartości miedzi – naukowcom udało się uzyskać pojawienie się nadprzewodnictwa w temperaturach znacznie wyższych od temperatury wrzenia azotu (-196 stopni Celsjusza), co przy powszechnej produkcji ciekłego azotu sprawia, że substancje nie posiadające odporności, stosunkowo wygodne w użyciu.

Dzięki tym eksperymentom nadprzewodniki rozpowszechniły się i są dziś wykorzystywane zwłaszcza do obrazowania w medycznych urządzeniach diagnostycznych, takich jak skanery magnetyczne i rezonatory magnetyczne.

Są również szeroko stosowane w akceleratorach cząstek w badaniach fizycznych.

A potem grafen?

Profesor Uniwersytetu Aalto w Helsinkach i Instytutu Fizyki Teoretycznej Landau Rosyjskiej Akademii Nauk Grigorij Wołowik w ramach Moskiewskiej Międzynarodowej Konferencji Technologii Kwantowych mówił o możliwości osiągnięcia nadprzewodnictwa w wysokich temperaturach za pomocą grafenu, płaskiej modyfikacji .

Przewiduje się, że grafen, podobnie jak nadprzewodniki, ma przed sobą świetlaną przyszłość – interesują się nim zarówno producenci żarówek, jak i kamizelek kuloodpornych, nie mówiąc już o jego perspektywach w mikroelektronice.

Prawa autorskie do ilustracji IBM-a Tytuł Zdjęcia W normalnych warunkach grafen wykazuje właściwości półprzewodnika

Fizycy teoretyczni opisywali jego potencjał przez cały XX wiek, jednak do badań praktycznych doszli dopiero w XXI wieku: to właśnie do opisu właściwości grafenu wyizolowanego z grafitu zajęli się rodowici Rosjanie Konstantin Nowosełow i Andrei Geim.

Według Volovika wiedza o właściwościach pól elektromagnetycznych mogłaby pozwolić na zbudowanie nadprzewodnika w oparciu o płaskie pasma energetyczne, które można zaobserwować w „idealnym” grafenie.

A jednak - co zrobić z temperaturą pokojową?

Płaska strefa charakterystyczna dla idealnego grafenu powinna mieć zerową energię w całej swojej płaszczyźnie.

Jednak rzeczywista struktura dwuwymiarowej alotropowej modyfikacji węgla często przypomina strukturą „spłaszczoną kiełbasę”, mówi profesor Volovik.

Niemniej jednak eksperci nie zniechęcają się: w tej chwili teoretycy pracują nad kilkoma opcjami pojawienia się płaskiej strefy energetycznej niezbędnej do wytworzenia nadprzewodnictwa w warunkach pokojowych, w tym przechłodzonych gazów.

W zeszłym roku amerykańscy fizycy z Uniwersytetu Stanforda przekonali się, jak nadprzewodnictwo grafenu można zastosować w praktyce, używając warstw jednoatomowego węgla – a właściwie grafenu – i wapnia nałożonych na siebie w „kanapkę”.

Od nieco ponad roku temu brytyjscy naukowcy można mówić o zauważalnym obniżeniu kosztów produkcji niezbędnych materiałów.

Wyzwaniem, jak twierdzą wszyscy wspomniani powyżej eksperci, jest obecnie znalezienie sposobów na produkcję wolnego od defektów grafenu w dużych ilościach.

Ciało stałe, ciecz, gaz, plazma... co jeszcze?

Jednym ze stanów materii, dla których obserwuje się nadprzewodnictwo i inne efekty kwantowe, jest kondensat Bosego-Einsteina, nazwany na cześć prac teoretycznych indyjskiego fizyka Satyendry Bose i Alberta Einsteina.

Prawa autorskie do ilustracji Biblioteka fotografii naukowej Tytuł Zdjęcia Satyendra Bose był pionierem w badaniach zachowania cząstek w temperaturze zerowej Kelvina

Jest to szczególna forma materii – jest to stan skupienia fotonów i innych cząstek elementarnych związanych z bozonami, w temperaturach bliskich zera kelwinów.

W 1995 roku – 70 lat po opublikowaniu uzasadnień teoretycznych przez Bosego i Einsteina – naukowcom po raz pierwszy udało się zaobserwować kondensat.

Dopiero w 2010 roku fizykom udało się uzyskać taki kondensat fotonów.

W szczególności Natalya Berloff, nauczycielka w Instytucie Nauki i Technologii Skolkovo, która przemawiała na konferencji, opisała zachowanie polarytonów – kwazicząstek powstających, gdy fotony oddziałują z elementarnymi wzbudzeniami ośrodka.

Berloff powiedziała, że ​​latem ubiegłego roku próbowała przedstawić zastosowanie teorii kwantowej premierowi Dmitrijowi Miedwiediewowi i wicepremierowi Arkadiemu Dworkowiczowi w ramach inicjatywy narodowej.

Część studentów Instytutu Naukowo-Technologicznego Skołkowo już aktywnie uczestniczy w międzynarodowych badaniach - w szczególności studenci Berloffa wchodzą w skład zespołu fizyków opisującego zachowanie wspomnianych polarytonów.

MOSKWA, 13 września – RIA Nowosti. Pojedyncze ziarna grafitu mogą wykazywać właściwości nadprzewodzące w temperaturze pokojowej po obróbce wodą i wypaleniu w piekarniku, co sugeruje, że nadprzewodnictwo można osiągnąć w normalnych warunkach, w praktyce, twierdzą niemieccy fizycy w artykule opublikowanym w czasopiśmie Advanced Materials.

„Ogółem dane z naszego eksperymentu wskazują, że nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest możliwe, a zastosowane przez nas metody mogą utorować drogę nowej generacji nadprzewodników, których pojawienie się przyniesie ludzkości wciąż trudne do oszacowania korzyści” – powiedział kierownik zespołu fizyków, Pablo Esquinazi (Pablo Esquinazi) z Uniwersytetu w Lipsku (Niemcy).

Esquinazi i jego współpracownicy badali właściwości fizyczne grafitu i innych form węgla. W jednym z eksperymentów naukowcy wsypali proszek grafitowy do probówki z wodą, zamieszali i pozostawili na 24 godziny. Następnie fizycy przefiltrowali grafit i wysuszyli go w piekarniku w temperaturze 100 stopni.

W rezultacie naukowcy otrzymali zestaw granulek grafitu o niezwykle interesujących właściwościach fizycznych. Zatem powierzchnia tych ziaren ma właściwości nadprzewodzące, które utrzymują się nawet w temperaturze 300 stopni Kelvina, czyli 26 stopni Celsjusza.

Objawiało się to pojawieniem się charakterystycznych ostrych przejść fazowych momentu magnetycznego wewnątrz ziaren, jakie występują w klasycznych nadprzewodnikach wysokotemperaturowych. Fizycy nigdy nie byli w stanie sprawdzić, czy grafit ma jeszcze dwie inne główne cechy takich materiałów: brak oporu oraz tzw. efekt Meissnera – całkowite wyparcie pola magnetycznego z korpusu przewodnika.

Jednak odkrycie choćby jednego z efektów sugeruje, że nadprzewodniki wysokotemperaturowe mogą funkcjonować w temperaturze pokojowej.

Niestety, ziarna grafitu uzyskane przez Esquinaziego i jego współpracowników nie mogą służyć jako „materiał konstrukcyjny” do nadprzewodników. Po pierwsze, tylko 0,0001% masy grafitu ma właściwości nadprzewodzące, ze względu na fakt, że efekt ten obserwuje się tylko na powierzchni ziaren. Po drugie, ta forma grafitu jest niezwykle krucha, a właściwości fizyczne ziaren ulegają nieodwracalnej utracie nawet przy najmniejszym odkształceniu.

W kolejnych pracach fizycy planują zbadać powierzchnię ziaren i rolę atomów wodoru, które pozostają na ich powierzchni po „kąpieli wodnej” i późniejszym suszeniu. Dodatkowo Esquinazi i jego współpracownicy będą badać, czy takie ziarna mają zerowy opór i czy występuje w nich efekt Meissnera.

Nadprzewodnictwo jest jednym z najbardziej tajemniczych, niezwykłych i obiecujących zjawisk. Materiały nadprzewodzące, które nie mają oporu elektrycznego, mogą przewodzić prąd praktycznie bez strat, a zjawisko to jest już wykorzystywane do celów praktycznych w niektórych obszarach, na przykład w magnesach maszyn do tomografii jądrowej czy akceleratorach cząstek. Jednakże istniejące materiały nadprzewodzące muszą zostać schłodzone do ekstremalnie niskich temperatur, aby osiągnąć swoje właściwości. Jednak eksperymenty przeprowadzone przez naukowców w tym roku i w zeszłym roku przyniosły nieoczekiwane wyniki, które mogą zmienić stan technologii nadprzewodników.

Międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez naukowców z Instytutu Struktury i Dynamiki Materii Maxa Plancka, pracujący z jednym z najbardziej obiecujących materiałów – wysokotemperaturowym nadprzewodnikiem tlenkiem itru, baru i miedzi (YBa2Cu3O6+x, YBCO), odkryli, że wystawienie tego materiału ceramicznego na działanie impulsów światła z lasera podczerwonego powoduje, że niektóre atomy materiału na krótko zmieniają swoje położenie w sieci krystalicznej, zwiększając objawy efektu nadprzewodnictwa.

Kryształy związku YBCO mają bardzo nietypową strukturę. Na zewnątrz tych kryształów znajduje się warstwa tlenku miedzi pokrywająca warstwy pośrednie zawierające bar, itr i tlen. Efekt nadprzewodnictwa pod wpływem naświetlania światłem lasera zachodzi właśnie w górnych warstwach tlenku miedzi, w których następuje intensywne tworzenie się par elektronowych, tzw. par Coopera. Pary te mogą przemieszczać się pomiędzy warstwami kryształu w wyniku efektu tunelowania, co wskazuje na kwantową naturę obserwowanych efektów. A w normalnych warunkach kryształy YBCO stają się nadprzewodnikami dopiero w temperaturach poniżej punktu krytycznego tego materiału.

W eksperymentach przeprowadzonych w 2013 roku naukowcy odkryli, że naświetlenie kryształu YBCO silnym laserem podczerwonym spowodowało, że w temperaturze pokojowej materiał na krótko stał się nadprzewodnikiem. Oczywistym jest, że światło lasera wpływa na przyczepność pomiędzy warstwami materiału, choć mechanizm tego efektu nie jest do końca jasny. Aby poznać wszystkie szczegóły tego, co się działo, naukowcy wykorzystali możliwości lasera LCLS, najpotężniejszego jak dotąd lasera rentgenowskiego.

„Zaczęliśmy uderzać w materiał impulsami światła podczerwonego, co wzbudziło niektóre atomy, powodując ich wibracje z dość dużą amplitudą”.
– mówi Roman Mankowsky, fizyk z Instytutu Maxa Plancka, –„Następnie użyliśmy impulsu lasera rentgenowskiego bezpośrednio po impulsie lasera w podczerwieni, aby zmierzyć dokładną wielkość przemieszczenia, które nastąpiło w sieci krystalicznej”.

Wyniki pokazały, że impuls światła podczerwonego nie tylko wzbudził atomy i wprawił je w wibracje, ale także spowodował ich przesunięcie z pozycji w sieci krystalicznej. Spowodowało to zmniejszenie na bardzo krótki czas odległości pomiędzy warstwami tlenku miedzi a innymi warstwami kryształu, co z kolei doprowadziło do nasilenia manifestacji efektu sprzężenia kwantowego pomiędzy nimi. W rezultacie kryształ staje się nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej, chociaż stan ten może trwać tylko kilka pikosekund.

„Uzyskane przez nas wyniki pozwolą nam dokonać pewnych zmian i udoskonalić istniejącą teorię nadprzewodników wysokotemperaturowych. Ponadto nasze dane będą nieocenioną pomocą dla badaczy materiałów opracowujących nowe wysokotemperaturowe materiały nadprzewodzące o wysokiej temperaturze krytycznej”. – mówi Roman Mankowski, –„Mam nadzieję, że ostatecznie wszystko to doprowadzi do realizacji marzenia o materiale nadprzewodzącym o temperaturze pokojowej, który w ogóle nie będzie wymagał chłodzenia. Z kolei pojawienie się takiego materiału może zapewnić szereg przełomów w wielu innych obszarach, w których wykorzystuje się zjawisko nadprzewodnictwa”.