Właściwości nadprzewodników pod wysokim ciśnienie
Naukowcy z Rochester (USA) twierdzą, że nadprzewodniki mogą przewodzić prąd bez żadnego oporu i bez strat. Niemniej jednak nie są one jeszcze wykorzystywane do przesyłu mocy na dużą skalę, chociaż minimalizowałoby to straty na linii i pozwalało na uratowanie wielu elektrowni.
Wcześniej dostępne nadprzewodniki musiały być chłodzone do około minus 200 stopni Celsjusza, na przykład za pomocą ciekłego azotu, aby móc przejść w stan nadprzewodzący.
Ale teraz amerykańscy fizycy po raz pierwszy prezentują w czasopiśmie “Nature” nadprzewodnik, który przewodzi elektryczność bez oporu nawet w temperaturze pokojowej. Jednak wyczyn ten odniósł sukces tylko dlatego, że na materiał – węglowy wodorek siarki – wywierano ogromny nacisk w komórce diamentowego imadła.
“Aby uzyskać nadprzewodnik o wysokich temperaturach, potrzebujesz silnych wiązań i lekkich elementów”- mówi Ranga Dias z Rochester University. Dlatego on i jego koledzy skupili się w swoich badaniach na najlżejszym pierwiastku ze wszystkich, który ma bardzo silne wiązania chemiczne: wodorze. Ponieważ czysty wodór trudno jest przekształcić w stan metaliczny nawet pod wysokim ciśnieniem, naukowcy zsyntetyzowali związek siarki, który był bogaty w wodór, ale także dodatkowo zawierał węgiel.
Aby to zrobić, najpierw sprasowali razem siarkę elementarną i węgiel w zrównoważonym stosunku molowym w diamentowej komorze prasującej. Następnie pozwolili na przepływ wodoru wokół tej próbki. W świetle lasera rozpoczął się proces fotochemiczny, w wyniku którego najpierw wytworzono siarkowodór, a następnie bogaty w węgiel wodorek siarki.
Aby jednak przekształcić wodorek siarki w nadprzewodnik, potrzebne były ekstremalnie wysokie ciśnienia. Aby to zrobić, Dias i jego współpracownicy umieścili maleńką próbkę bogatego w węgiel wodorku siarki w diamentowym imadle. W ten sposób wywarli ciśnienie 267 gigapaskali, czyli 2,5 miliona razy większe niż ciśnienie atmosferyczne. Pod tym ciśnieniem właściwości elektroniczne materiału uległy poważnej zmianie.
Wystarczyło lekkie ochłodzenie do zaledwie 15 stopni Celsjusza, aby bez oporu materiał mógł przewodzić prąd elektryczny z wodorkiem siarki. Inny test nadprzewodnika, w którym pola magnetyczne nie mogą rozprzestrzeniać się w materiale, potwierdził zadziwiające właściwości wodorku siarki przy nieco niższym ciśnieniu 189 gigapaskali, a tym samym w niższej temperaturze przewodzenia wynoszącej minus 75 stopni Celsjusza. W tym eksperymencie z polem magnetycznym nie można było wytworzyć wyższych ciśnień ze względu na mały rozmiar próbki, od 25 do 35 mikrometrów.
Ten eksperyment pokazuje, że związki bogate w wodór faktycznie stanowią podstawę dla coraz gorętszych metalicznych nadprzewodników. Wcześniej grupa Michaiła Eremetsa w Instytucie Chemii im. Maxa Plancka w Moguncji osiągnęła rekord temperatury. W ubiegłorocznym eksperymencie wysokociśnieniowym wykazali oni również, że wodorek lantanu (LaH10) nie wykazywał już żadnego oporu elektrycznego w temperaturze krytycznej minus 23 stopnie Celsjusza i 170 gigapaskali.
Pomimo wyższej temperatury przewodzenia, bogaty w węgiel wodorek siarki również nie nadaje się jeszcze do linii energetycznych. Ponieważ technicznie tak wysokie ciśnienie można osiągnąć tylko na małych próbkach w imadełku diamentowym. Jednak Dias jest optymistą, jeśli chodzi o obranie właściwej drogi dzięki związkom bogatym w wodór. Ma nadzieję, że zmieniając skład związków wodorkowych, będzie w stanie stworzyć nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej i jednocześnie przy coraz niższych ciśnieniach. Jeśli to się powiedzie, można takie nadprzewodniki wykorzystać nie tylko do konstrukcji wolnych od strat linii energetycznych, ale także można by je również wykorzystać w bardzo szybkich ciągach lewitacji magnetycznej, mocniejszych tomografach rezonansu magnetycznego, a nawet w specjalnych typach komputerów kwantowych.
Właściwości nadprzewodników pod wysokim ciśnieniem
