Wyjaśnienie zachowania nadprzewodników wysokotemperaturowych
Nadprzewodnictwo potencjalnie może pomóc Europie osiągnąć wydajność energetyczną i wprowadzić w życie nowe ekscytujące zastosowania. Brak oporu dla przepływu elektryczności oznacza brak strat energii (jakie występują obecnie, powiedzmy, w przypadku przesyłu energii z elektrowni do domów) i sprawia, że najnowocześniejsze koncepcje, takie jak kolej magnetyczna, stają się technicznie wykonalne.
Właściwości przechłodzonych materiałów
Nadprzewodnictwo odkryto ponad 100 lat temu. To drgania atomów tworzących metal powodują opór — wraz z ochładzaniem materiału drgania te coraz bardziej maleją. „W tym przypadku trzeba spojrzeć na bezwzględną skalę temperatury” — wyjaśnia koordynator projektu CATCH-22(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Nigel Hussey z Uniwersytetu w Brystolu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Wielkiej Brytanii. „Temperatura zamarzania wody — zero stopni Celsjusza — wynosi około 273 stopni Kelwina. Zero absolutne to zero stopni Kelvina, punkt, w którym ustają drgania atomów. To, co niezwykłe w nadprzewodnikach, to fakt, że stan zerowego oporu jest osiągany w temperaturach skończonych, czyli gdy atomy wciąż drgają. Jak się okazuje, to właśnie te same wibracje promują nadprzewodnictwo”. Niemniej jednak przez dziesięciolecia utrzymywał się ogólny konsensus, że istnieje maksymalna temperatura, w której materiały mogą być nadprzewodzące — około 30 stopni Kelvina. Do schłodzenia takich materiałów poniżej tej granicy potrzebny jest bardzo drogi ciekły hel.
Właściwości nadprzewodzące w wyższych temperaturach
Jednak w latach 80. XX wieku odkryto klasę związków (zwanych miedzianami), które mają właściwości nadprzewodzące powyżej tej wartości granicznej. Manipulowanie związkami w celu osiągnięcia nadprzewodnictwa w temperaturach nawet do 130 stopni Kelwina oznacza, że to ciekły azot (kilkukrotnie tańszy od ciekłego helu) może być używany do chłodzenia takich materiałów, co potencjalnie otwiera drzwi do tańszych nadprzewodników. Właśnie tą klasą związków zajmował się projekt CATCH-22. Mechanizm stojący za tym nadprzewodnictwem pozostaje jedną z największych tajemnic fizyki. Wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) projekt miał na celu zbadanie i wyjaśnienie zachowania tych wysokotemperaturowych nadprzewodników. Badacze projektu skupili się na tych materiałach w stanie metalicznym — tj. zanim staną się nadprzewodzące — aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób ewoluuje rezystancja, a w szczególności, co dzieje się z mobilnymi elektronami.
Ku nowej teorii nadprzewodnictwa
W tym celu Hussey wraz z zespołem wykorzystali silne pola magnetyczne, lasery na swobodnych elektronach oraz intensywne impulsy prądowe, aby wyciągnąć jak najwięcej informacji z tego stanu metalicznego. „Zauważyliśmy wyraźną korelację pomiędzy oporem materiału w jego stanie metalicznym a tym jak wysoka może być temperatura, w której występuje nadprzewodnictwo” — wyjaśnia Hussey. „Nadprzewodniki wysokotemperaturowe mają wyższy opór, ale po ich schłodzeniu znika on całkowicie”. Projekt dostarczył również pierwszych dowodów na bezpośredni związek między temperaturą przejścia w stan nadprzewodnictwa a siłą sprzężenia z tak zwanymi fluktuacjami spinowymi. Wyjaśnienie polega na tym, że to nie drgające atomy dyktują przede wszystkim wartość oporu, ale wirujące elektrony. „Najwyraźniej jest jakaś dodatkowa interakcja lub właściwość elektronów, która zwiększa nadprzewodnictwo, od której zależy to dziwne zachowanie” — zauważa Hussey. „Wszystko sprowadza się do tego, że nadal nie wiemy, co to jest, ale przynajmniej wiemy, gdzie tego szukać”. Projekt CATCH-22 poczynił kilka ważnych kroków w rozwoju nowej teorii, która wyjaśnia zachowanie tych wysokotemperaturowych nadprzewodników. „Aktualnie celem jest współpraca z mądrymi teoretykami i opracowanie inteligentnych eksperymentów, które przyniosą odpowiedzi” — dodaje Hussey.
