Horúci supravodič pod vysokým tlakom
15. októbra 2020 - Pri izbovej teplote vykazuje hydrid síry obsahujúci uhlík v bunke diamantovej nákovy vedenie odporu bez odporu.
Po celé desaťročia hľadali fyzici v pevnom stave supravodiče so stále vyššími teplotami prechodu. Oxidy keramiky medi sa menia na supravodivý stav pri normálnom tlaku od 138 Kelvinov. Naopak, pri vysokých tlakoch dosahujú zlúčeniny bohaté na vodík ešte vyššie teploty prechodu. Teraz sa fyzikom, ktorí pracujú s Ranga Dias z Rochester University, po prvýkrát podarilo vyvinúť supravodič pri chladnej izbovej teplote 288 Kelvinov. Aby sa to však stalo, musel byť hydrid síry obsahujúci uhlík stlačený v bunke diamantovej kovadliny s 267 gigapascalmi.
Dias a jeho kolegovia zamerali svoj výskum na vodík. „Pretože na získanie supravodiča pre vysoké teploty potrebujete silné väzby a ľahké prvky,“ hovorí Dias. Molekuly vodíka so svojimi silnými chemickými väzbami presne spĺňajú tieto podmienky. Pretože čistý vodík sa ťažko premieňa na kovový stav aj pri vysokom tlaku, vedci syntetizovali zlúčeninu síry, ktorá bola bohatá na vodík a obsahovala aj uhlík. Za týmto účelom najskôr stlačili elementárnu síru a uhlík vo vyváženom molárnom pomere v diamantovej bunke. Potom nechali okolo tejto vzorky prúdiť vodíkový plyn. Fotochemický proces sa začal pod laserovým svetlom, pri ktorom sa vytvoril hydrid síry bohatý na uhlík.
Na premenu tohto materiálu na supravodič boli potrebné extrémne vysoké tlaky. Dias a kolegovia preto vyvinuli na vzorku tlak až 267 gigapascalov - čo je zhruba 2,5 milióna násobok atmosférického tlaku. Pod týmto tlakom sa dramaticky zmenili elektronické vlastnosti materiálu. Hydrid síry vykazoval bezodporové vedenie prúdu už pri 287,7 Kelvinach - teda pri teplote miestnosti - čo sa dalo merať pripojenými platinovými elektródami. V ďalšom teste na supravodiči vedci hľadali diamagnetický prechod v magnetickej susceptibilite. So zvyšujúcim sa tlakom sa zreteľný pokles citlivosti posunul na vyššie a vyššie teploty. Demonštrovali najvyššiu teplotu prechodu pri 198 Kelvinoch a tlaku 189 gigapascalov. Pri tomto teste magnetického poľa nebolo možné experimentálne vytvoriť ešte vyššie tlaky kvôli malej veľkosti vzorky 25 až 35 mikrometrov.
Tento experiment ukazuje, že zlúčeniny bohaté na vodík tvoria základ stále teplejších kovových supravodičov. Pred tým pracovná skupina okolo Michaila Eremetsa na Chemickom inštitúte Maxa Plancka v Mohuči držala teplotný rekord. Aj v minuloročnom experimente s vysokým tlakom ukázali, že hydrid lantanitý (LaH10) už nevykazuje elektrický odpor pri kritickej teplote mínus 23 stupňov Celzia a 170 gigapascalov. Pretože supravodivosť nie je možné jasne preukázať iba pri meraniach odporu, vedci uskutočnili aj ďalšie merania magnetického poľa. Zistili, že magnetické pole narušuje supravodivosť a posúva prechod na nižšie teploty. O niekoľko rokov skôr Eremets a jeho kolegovia zistili, že sírovodík sa stáva supravodivým pri tlaku 250 gigapascalov pri mínus 70 stupňoch Celzia.
Ale napriek vysokej prechodovej teplote nie je nový hydrid síry bohatý na uhlík vhodný ani pre elektrické vedenie. Pretože technicky také vysoké tlaky je možné dosiahnuť iba s malými vzorkami v bunkách diamantovej kovadliny. Napriek tomu je Dias optimistický na to, že je so svojimi zlúčeninami bohatými na vodík na správnej ceste. Dúfa, že zmenou zloženia hydridových zlúčenín bude schopný priblížiť sa k supravodiču pri izbovej teplote a súčasne pri stále nižších tlakoch. Ak sa to podarí, nebude to priťahovať iba bezstratové elektrické vedenie, ktoré by mohlo zachrániť veľké množstvo elektrární. Takéto horúce supravodiče by mohli byť zaujímavé aj pre vlaky magnetickej levitácie, výkonnejšie tomografy magnetickej rezonancie a dokonca aj pre špeciálne typy kvantových počítačov.