Novi supravodljivi materijali upravo su otkriveni

Godine 2024. supravodljivost — tok električne struje s nultim otporom — otkrivena je u tri različita materijala. Dva slučaja proširuju udžbeničko razumijevanje fenomena. Treći ga potpuno usitnjava. “To je krajnje neobičan oblik supravodljivosti za koji bi mnogi ljudi rekli da nije moguć”, rekao je Ashvin Vishwanath fizičar sa Sveučilišta Harvard koji nije bio uključen u otkrića.

Još od 1911. godine, kada je nizozemska znanstvenica Heike Kamerlingh Onnes prvi put vidjela nestanak električnog otpora, supravodljivost je očarala fizičare. Postoji čista misterija kako se to događa: fenomen zahtijeva da se elektroni, koji prenose električnu struju, upare. Elektroni se međusobno odbijaju, pa kako se mogu spojiti?

Tu je i tehnološko obećanje: supravodljivost je već omogućila razvoj MRI strojeva i snažnih sudarača čestica. Kad bi fizičari mogli u potpunosti razumjeti kako i kada nastaje taj fenomen, možda bi mogli konstruirati žicu koja provodi supravodljivu električnu energiju u svakodnevnim uvjetima, a ne isključivo na niskim temperaturama, kao što je trenutno slučaj. Tehnologije koje mijenjaju svijet – električne mreže bez gubitaka, magnetski levitirajuća vozila – mogle bi uslijediti.

Nedavna bujica otkrića zakomplicirala je misterij supravodljivosti i povećala optimizam. “Čini se da je u materijalima supravodljivost posvuda”, rekao je Matthew Yankowitz fizičar na Sveučilištu Washington.

Otkrića proizlaze iz nedavne revolucije u znanosti o materijalima: Sva tri nova slučaja supravodljivosti pojavljuju se u uređajima sastavljenim od ravnih ploča atoma. Ovi materijali pokazuju neviđenu fleksibilnost; pritiskom na gumb, fizičari ih mogu prebacivati ​​između provodljivosti, izolacije i egzotičnijih ponašanja – modernog oblika alkemije koji je pojačao lov na supravodljivost.

Sada se čini sve vjerojatnijim da različiti uzroci mogu izazvati ovaj fenomen. Baš kao što ptice, pčele i vretenca lete koristeći različite strukture krila, čini se da materijali spajaju elektrone na različite načine. Čak i dok istraživači raspravljaju o tome što se točno događa u različitim dvodimenzionalnim materijalima o kojima je riječ, predviđaju da će im rastući zoološki vrt supravodiča pomoći da postignu univerzalniji pogled na primamljivi fenomen.

Sparivanje elektrona

Slučaj Kamerlingh Onnesovih opažanja (i supravodljivosti viđene u drugim ekstremno hladnim metalima) konačno je razriješen 1957. John Bardeen, Leon Cooper i John Robert Schrieffer shvatio da se na niskim temperaturama nemirna atomska rešetka materijala stišava, pa se pojavljuju delikatniji učinci. Elektroni lagano povlače protone u rešetki, povlačeći ih prema unutra kako bi stvorili višak pozitivnog naboja. Ta deformacija, poznata kao fonon, može zatim privući drugi elektron, formirajući “Cooperov par”. Cooperovi parovi se svi mogu spojiti u koherentni kvantni entitet na način na koji pojedinačni izbori ne mogu. Rezultirajuća kvantna juha klizi bez trenja između atoma materijala, koji inače ometaju električni tok.

Bardeenova, Cooperova i Schriefferova teorija fononske supravodljivosti donijela im je Nobelovu nagradu za fiziku 1972. No pokazalo se da to nije cijela priča. U 1980-ima, fizičari su otkrili da kristali ispunjeni bakrom, zvani kuprati, mogu biti supravodljivi na višim temperaturama, gdje atomsko podrhtavanje ispire fonone. Uslijedili su drugi slični primjeri.