Zwiększanie temperatur pracy nadprzewodników
W 1911 r. holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes schłodził rtęć do temperatury ciekłego helu, czyli około –270°C — zaledwie kilka stopni powyżej zera bezwzględnego. Wtedy zaobserwowano niezwykłe zachowanie: w temperaturze 4,2 K opór elektryczny nagle zniknął. Od tego czasu odkryto wiele materiałów wykazujących właściwości nadprzewodzące w wyższych temperaturach, w tym różnego rodzaju miedziany, dwuborek magnezu i azotowce żelaza. Jednak nawet w przypadku substancji o najwyższej temperaturze krytycznej (Tc), wynoszącej obecnie 138 K, czyli około –135°C, jesteśmy wciąż daleko od nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej +20°C. Naukowcy korzystający z dofinansowania UE zainicjowali projekt "Search for novel mechanisms to increase the critical temperature of a superconductor" (NANOHIGHTC) w celu lepszego poznania zjawisk umożliwiających kontrolowane projektowanie nowych, ulepszonych nadprzewodników o nanostrukturze. Wyniki projektu znacznie przekroczyły początkowe oczekiwania, przynosząc 22 publikacje w prestiżowych pismach naukowych i liczne inicjatywy współpracy międzynarodowej. Badania oddziaływań w skali skończonej dla różnego rodzaju nadprzewodników umożliwiły opracowanie formalizmu ilościowego, opisującego takie oddziaływania w granicach stosowalności teorii pola średniego. W największym skrócie, teoria pola średniego upraszcza problem wielociałowy do postaci problemu jednociałowego poprzez uśrednienie interakcji między cząsteczkami. Badacze wykazali, że w niektórych materiałach można zwiększyć Tc nawet o 30%. Dalsze badania umożliwiły opracowanie struktury opisującej odchylenia od pola średniego. Wśród najważniejszych wyników należy wskazać zidentyfikowanie minimalnej wielkości ziarna umożliwiającej występowanie nadprzewodnictwa, wyrażonej jako funkcja siły sprzężenia w silnie sprzężonych nadprzewodnikach nanoskalowych. Drugi kierunek badań dotyczył dynamiki nierównowagi i termalizacji, czyli procesu osiągania przez cząsteczki równowagi termicznej (jednolitej temperatury). Po zaburzeniu równowagi (wygaszeniu kwantowym) układ kwantowy pozostający w interakcji powinien ostatecznie osiągnąć równowagę termiczną. Obserwacje pokazały jednak, że nie zawsze ma to miejsce. Badacze zidentyfikowali przedział parametrów, w którym po wygaszeniu układu nie następuje termalizacja, i opisali nowatorską drogę do termalizacji. W ramach projektu NANOHIGHTC pomyślnie opracowano nowe kierunki zwiększania skuteczności nadprzewodnictwa i podnoszenia Tc. Pomimo ogromnego zainteresowania materiałami nadprzewodzącymi niedostateczna wiedza teoretyczna na temat zachodzących w nich zjawisk stanowi barierę dla szybszego rozwoju tej dziedziny i stosowania nadprzewodników na skalę przemysłową. Naukowcy skutecznie pracują nad wyeliminowaniem tej bariery, torując drogę dla tworzenia już w niedalekiej przyszłości nowatorskich materiałów i zastosowań.
Słowa kluczowe
Nadprzewodniki, temperatura krytyczna, teoria pola średniego, termalizacja
