Superlaidininkai naudojami dalelių greitintuvuose, branduolių sintezės įrenginiuose, magnetinio rezonanso aparatuose ir net magnetinės levitacijos traukiniuose. Tačiau platesniam ir dažnesniam naudojimui trukdo temperatūros riba – iki šiol neįrodyta, kad koks nors superlaidininkas veiktų esant vidutiniam kambario slėgiui ir temperatūrai.
Liepos 22 d. Pietų Korėjos mokslininkai paskelbė tyrimą, kuriame teigiama, kad ši problema išspręsta. Jie teigia, kad jų medžiagos, pavadintos LK-99, elektrinė varža, arba pasipriešinimas elektros srovės tekėjimui, 30 laipsnių pagal Celsijų temperatūroje sumažėja beveik iki nulio. Jų teiginiai paskatino pasaulines lenktynes, siekiant atkurti šią medžiagą ir išbandyti jos savybes. Iki rugpjūčio 4 d. dar niekam nepavyko pakartoti tokių rezultatų.
Štai viskas, ką reikia žinoti apie superlaidininkus.
Kas yra superlaidumas?
Visos medžiagos pasižymi savybe, vadinama varža – pabandykite bet kuria medžiaga paleisti elektros srovę, ir dalis srovės energijos neišvengiamai bus prarasta. Taip yra todėl, kad srovės elektronai susiduria su medžiagoje judančiais jonais, kurie sudaro pasipriešinimą srautui.
Tačiau atvėsinkite medžiagą taip, kad joje esantys jonai turėtų mažiau energijos virpėti, ir susidūrimų dažnis sumažės – o tai smarkiai sumažins varžą. Dauguma medžiagų turėtų pasiekti neįmanomą absoliutaus nulio būseną, kad jų varža būtų lygi nuliui, tačiau kai kurios retos medžiagos gali pasiekti nulinę varžą aukštesnėje nei absoliutaus nulio temperatūroje – tokias medžiagas vadiname superlaidininkais.
Pirmasis superlaidininkas buvo atrastas 1911 m., kai olandų fizikas Heike Kamerlinghas Onnesas pastebėjo, kad labai atšaldytas gyvsidabrio laidas (jo temperatūra sumažinta iki maždaug minus 269 Celsijaus) nebesipriešina elektros srautui. Už šį pastebėjimą jis gavo Nobelio fizikos premiją. Netrukus jo stebėjimai buvo atlikti naudojant kitus elementus – pavyzdžiui, šviną, niobį ir alavą.
Kaip veikia superlaidininkai?
Nepaisant H.K. Onneso atradimo, paaiškinti, kodėl tai įvyko, prireiks dešimtmečių.
Galiausiai 1957 m. paaiškinimas pasirodė. „BCS teorija“, pavadinta jos autorių Johno Bardeeno, Leono Cooperio ir Johno Roberto Schriefferio inicialais, skelbė, kad superlaidumas atsirado dėl elektronų sukeltų bangavimų, kai jie judėjo medžiagoje. Esant pakankamai žemai temperatūrai, šios pulsacijos sukelia atomų branduolių trauką vienam prie kito, o tai savo ruožtu sukelia nedidelį krūvio poslinkį, kuris pritraukia antrą elektroną prie pirmojo. Dėl šios traukos jėgos įvyksta keistas dalykas: užuot atstūmę vienas kitą dėl elektrostatinio atstūmimo jėgos, elektronai susijungia į „Cooperio porą“.
„Cooperio poros“ vadovaujasi kitokiomis kvantinės mechanikos taisyklėmis nei vieniši elektronai. Užuot susisluoksniavusios vienos ant kitų ir suformavusios energijos apvalkalus, jos veikia kaip šviesos dalelės, kurių begalinis skaičius vienu metu gali užimti tą patį erdvės tašką. Jei tokių Cooperio porų sukuriama pakankamai visoje medžiagoje, jos tampa supertekančiu skysčiu, sruvenančiu be jokių energijos nuostolių. Vieną kartą supertekančiuosius skysčius pamaišykite – ir teoriškai jie virpės iki pat Visatos pabaigos.
Tačiau tai toli gražu nebuvo paskutinė fizikams paruošta superlaidumo staigmena. 1986 m. IBM mokslininkai Alexas Mülleris ir Georgas Bednorzas nustatė, kad medžiagos, vadinamos kupratais – sudarytos iš vario ir deguonies sluoksnių, įsiterpusių tarp kitų elementų – gali būti superlaidžios iki minus 135 C° temperatūros.
Kodėl taip nutinka, iki šiol nėra visiškai aišku – tačiau dabar vyrauja amerikiečių fiziko Phillipo Andersono pasiūlyta teorija, pagal kurią elektronai pasirenka apsikeisti vietomis vienas su kitu per kvantinį mechaninį procesą, vadinamą superapsikeitimu.
Elektronai nuolat stengiasi keistis vietomis – nes, kaip ir visos dalelės bei daugelis kitų gamtos reiškinių, jie siekia užimti kuo mažesnę energijos būseną. Kadangi Heizenbergo neapibrėžtumo principas teigia, kad vienu metu galima aiškiai žinoti tik dalelės padėtį arba momentą, elektronai juda taip, kad jų padėtis būtų labiausiai neapibrėžta, o momentas – labiausiai apibrėžtas.
Šis nuolatinis persijungimas savo ruožtu reiškia, kad elektronų energijos gali būti tiksliau apibrėžtos, todėl jie gali nusileisti į mažiausią įmanomą energijos būseną. O ideali konfigūracija šiam perjungimui vykti? Taip jau atsitiko, kad tai yra tolygiai išsidėsčiusių Cooperio porų „jūra“.
Kai kurie naujausi eksperimentai rodo, kad Andersonas buvo teisus – bent jau tirtose medžiagose – tačiau teoriškai superapsikeitimas gali būti tik vienas iš daugelio elektronų „klijų“ tipų. Lygiai taip pat neaišku, kokioje temperatūroje galėtų veikti kai kurie iš šių hipotetinių elektroninių „klijų“ – ir iš kokių medžiagų būtų galima pagaminti šiuos elektroninius „klijus“.
Superlaidininkams būdinga viena išskirtina savybė – levitacija. Kadangi tekanti srovė sukuria magnetinį lauką, medžiagoms pereinant į superlaidumo būseną, elektronai jose teka be trinties ir sukuria magnetinį lauką, kuris gali atstumti išorinį magnetą lygia ir priešinga jėga. Padėjus superlaidininką virš magneto, jis puikiai pakibs ore – šis reiškinys vadinamas Meissnerio efektu.
Ar įmanomi kambario temperatūros superlaidininkai?
Kambario temperatūros superlaidininkai nepažeidžia jokių žinomų fizikos teorijų – tačiau ir jokios teorijos jų nenumato.
Sudėtinga juos sukurti – tai inžinerinis galvosūkis, nes reikia išbandyti daugybę atomų ir cheminių savybių, įvairiose medžiagų kombinacijose.
Viena iš mokslininkų išbandytų medžiagų yra grafenas, kurio žemos temperatūros superlaidumas gali būti įjungtas arba išjungtas priklausomai nuo jo vieno atomo storio lakštų posūkių. Kitas perspektyvus kandidatas yra skandis – sidabriškas metalas, apie kurį mokslininkai šiemet pranešė, kad jis gali būti superlaidus aukštesnėje (bet vis dar labai žemoje) temperatūroje.
Tačiau dėl vieno liūdnai pagarsėjusio teiginio ši sritis buvo apipinta skandalu. 2020 m. eksperimento metu mokslininkai teigė pastebėję, kad anglies, sieros ir vandenilio mišinys, suspaustas dideliu slėgiu po dviem deimantais, buvo superlaidus iki stulbinančios 14 C° temperatūros. Šiais metais atliktas tolesnis eksperimentas patikslino teiginį – padidinto medžiagos fragmento superlaidumo temperatūra iš tikrųjų siekė 21 C°. Tačiau kitiems mokslininkams atlikus tyrimą, 2020 m. straipsnis buvo atšauktas, o abu eksperimentus atlikusi komanda apkaltinta manipuliavimu duomenimis ir plagijavimu.
O dabar į šią perpildytą sceną įžengė LK-99 – medžiaga, kurios varža, jos tyrėjų teigimu, 30 C° temperatūroje sumažėja beveik iki nulio. Medžiagą sudaro mišrūs milteliai, kurių sudėtyje yra švino, deguonies, sieros ir fosforo, legiruoti variu. Be to, ją palyginti lengva pagaminti.
Iki šiol mokslo institucijos paskelbė apie 11 bandymų pakartoti rezultatus, septyni iš jų paskelbė rezultatus. Iš šių septynių, trijuose buvo nustatytos panašios savybės kaip ir deklaruojamos LK-99, tačiau ne superlaidumas. Likę keturi nepastebėjo nei magnetizmo, nei superlaidumo.
Parengta pagal „Live science“.
