Nadprzewodniki, czyli magia fizyki z realnymi zastosowaniami
A jednego jestem pewien: nadprzewodniki to jedne z najbardziej obiecujących materiałów współczesnej fizyki. Pozwalają na przepływ prądu bez jakichkolwiek strat energii, co w przyszłości mogłoby zrewolucjonizować energetykę, transport czy komputery kwantowe. Problem polega na tym, iż większość z nich działa tylko w ekstremalnie niskich temperaturach, co znacząco ogranicza ich praktyczne zastosowanie.
Czytaj też: Fizycy kontrolują światło, jak nigdy dotąd. To ujawniło nieznaną właściwość
Badania prowadzone przez naukowców z Argonne National Laboratory i Northwestern University sugerują jednak, że droga do bardziej użytecznych nadprzewodników może prowadzić przez… atomowe “układanki”. Zamiast szukać nowych materiałów metodą prób i błędów, członkowie zespołu zaczęli systematycznie modyfikować istniejące struktury krystaliczne.
Punktem wyjścia był związek chemiczny zbudowany z baru, antymonu i telluru. Naukowcy postanowili sprawdzić, co się stanie, jeśli część atomów telluru zastąpią siarką. Te dwa pierwiastki są do siebie podobne, wszak należą do tej samej grupy układu okresowego i mają taką samą liczbę elektronów walencyjnych. Z tego względu można się było spodziewać raczej niewielkich zmian.
Subtelna zmiana może dać ogromną różnicę
Efekt okazał się jednak zaskakujący. Zamiast jednego wymieszanego materiału powstała cała seria nowych związków, z których każdy miał inną strukturę krystaliczną. Co więcej, wszystkie te struktury były ze sobą powiązane matematycznie i tworzyły serię homologiczną, czyli coś w rodzaju rodziny materiałów o wspólnym “DNA”, ale różnych właściwościach.
Co to oznacza w praktyce? Że nawet drobne zmiany w składzie atomowym mogą prowadzić do radykalnie różnych rezultatów. Innymi słowy, właściwości materiału – w tym jego zdolność do nadprzewodzenia – nie zależą wyłącznie od tego, jakie pierwiastki zawiera, lecz również od tego, jak dokładnie są one ułożone w przestrzeni.
Czytaj też: Przełom w fuzji jądrowej: Chińskie „sztuczne słońce” bije rekord i rozwiązuje odwieczny problem fizyków
To właśnie struktura krystaliczna okazuje się kluczowa. W materiałach nadprzewodzących elektrony tworzą pary Coopera i poruszają się w sposób skoordynowany, co eliminuje opór elektryczny. Jednak w tych samych materiałach mogą jednocześnie występować inne zjawiska, które konkurują z nadprzewodnictwem i je osłabiają. Manipulując strukturą, na przykład poprzez wprowadzanie drobnych zaburzeń lub zamianę atomów, można osłabiać te konkurencyjne zjawiska i wzmacniać nadprzewodnictwo.
To podejście diametralnie zmienia sposób prowadzenia badań. Zamiast przypadkowych odkryć pojawia się idea nadprzewodników na zamówienie, tj. materiałów projektowanych od podstaw pod konkretne zastosowania. A jeśli naukowcy nauczą się precyzyjnie kontrolować strukturę kryształów, możliwe stanie się tworzenie nadprzewodników działających w wyższych temperaturach, a może nawet w warunkach zbliżonych do pokojowych. To z kolei otworzyłoby drogę do zupełnie nowych technologii: od ultrawydajnych sieci energetycznych po rewolucję w elektronice. Mnie te doniesienia po prostu kupują.
Źródło: Science, Argonne National Laboratory
