Dlaczego pomiar wydawał się niemożliwy do wykonania?
Nadprzewodnictwo to stan, w którym materiał całkowicie traci opór elektryczny. Elektrony przestają się odpychać i łączą w pary, które mogą przemieszczać się bez strat energii. Kluczowym parametrem opisującym ten proces jest przerwa nadprzewodząca – wartość energii potrzebna do rozerwania takiej pary elektronowej. Tradycyjnie zjawisko nadprzewodnictwa obserwowano jedynie w temperaturach bliskich zera absolutnego. Odkrycie związków bogatych w wodór, takich jak siarczek wodoru (H3S) czy dekahydryd lantanu, przyniosło zmianę tego paradygmatu. H3S staje się nadprzewodnikiem przy minus 70 stopni Celsjusza, podczas gdy dekahydryd lantanu osiąga ten stan już przy minus 23 stopniach Celsjusza. Wciąż daleko do temperatury pokojowej, lecz znacznie bliżej niż kiedykolwiek wcześniej.
Czytaj też: Kwantowa komunikacja z kosmosu. Naukowcy pokonali barierę niemożliwości
Podstawowym problemem pozostawały warunki konieczne do wytworzenia tych materiałów. Potrzebne ciśnienie ponad milion razy przewyższa wartość występującą na poziomie morza. W takich okolicznościach standardowe narzędzia pomiarowe, jak skaningowa spektroskopia tunelowa, po prostu zawodziły. To tak, jakby próbować obserwować coś przez mikroskop poddany działaniu gigantycznej prasy hydraulicznej.
Nowa metoda otwiera nieznane możliwości badawcze
Naukowcy z Instytutu Maxa Plancka opracowali rewolucyjne rozwiązanie – płaską spektroskopię tunelową elektronów przystosowaną do pracy w ekstremalnych warunkach. Dzięki tej technice po raz pierwszy udało się bezpośrednio zmierzyć przerwę nadprzewodzącą w H3S. Wyniki przyniosły zaskakujące informacje. Siarczek wodoru wykazuje przerwę około 60 miliwoltoelektronów, natomiast jego deuterowy odpowiednik – D3S, gdzie zwykły wodór zastąpiono cięższym deuterem – charakteryzuje się przerwą około 44 miliwoltoelektronów. Ta rozbieżność nie jest przypadkowa.
Mamy nadzieję, że dzięki rozszerzeniu tej techniki tunelowania na inne nadprzewodniki wodorowe, będzie można wskazać kluczowe czynniki, które umożliwiają nadprzewodnictwo w jeszcze wyższych temperaturach – tłumaczy Feng Du z Instytutu Maxa Plancka
Niższa wartość przerwy w wariancie deuterowym potwierdza teoretyczne przewidywania sprzed lat – mechanizm nadprzewodnictwa w H3S opiera się na oddziaływaniu elektronów z fononami, czyli kwantowymi drganiami sieci krystalicznej materiału. Atomy deuteru są cięższe, więc drgają wolniej, co bezpośrednio wpływa na właściwości nadprzewodzące.
Jak skorzystać z nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej?
Odkrycie przyniosło także niespodzianki. Zmierzone wartości przerwy – średnio około 30 miliwoltoelektronów – okazały się niższe niż wskazywały modele teoretyczne. Stosunek podwójnej wartości przerwy do temperatury krytycznej wyniósł 3,54, co również odbiega od wcześniejszych obliczeń. To wyraźny sygnał, iż nasze rozumienie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego wciąż wymaga doprecyzowania. Badacze natrafili również na problem niejednorodności fazowej. W części próbek zaobserwowali cechy wskazujące na wielopasmową przerwę, co sugeruje współistnienie różnych faz nadprzewodzących. Chociaż komplikuje to ogólny obraz, jednocześnie otwiera nowe ścieżki badawcze.
Czytaj też: Fizycy rozwiązali zagadkę utraty przewodnictwa w materiałach kwantowych. Taniec polaronów ujawnił prawdę
Największe trudności? Ciśnienie przekraczające milion atmosfer to warunki nie do odtworzenia poza środowiskiem laboratoryjnym. Jednak zrozumienie mechanizmów rządzących nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym stanowi fundament pod przyszłe osiągnięcia. Obecne modele teoretyczne przewidują już nadprzewodnictwo powyżej temperatury pokojowej w kilku układach zdominowanych przez wodór – pod warunkiem, że uda się je wytworzyć i zbadać. Nowa technika spektroskopii tunelowej daje realną szansę na weryfikację tych przewidywań w najbliższej przyszłości.