Vědci syntetizovali supravodivý materiál při pokojové teplotě
Inženýři a fyzici z Rochesteru komprimovali jednoduché molekulární pevné látky vodíkem za extrémně vysokých tlaků a poprvé vytvořili materiál, který je supravodivý při pokojové teplotě.
Práce byla představena jako titulní článek v časopise Nature a byla prováděna laboratoří Ranga Diase, odborného asistenta fyziky a strojírenství. Dias říká, že vývoj materiálů, které jsou supravodivé - bez elektrického odporu a vypuzují magnetické pole při pokojové teplotě - je „svatým grálem“ fyziky kondenzovaných látek. Tyto materiály, které se hledají již více než století, „mohou rozhodně změnit svět, tak jak jej známe,“ říká Dias.
Při vytváření nového rekordu Dias a jeho výzkumný tým spojili vodík s uhlíkem a sírou, aby fotochemicky syntetizovali jednoduchý hydrid uhlíku síry odvozený od organických látek. Uhlíkatý hydrid síry vykazoval supravodivost při přibližně 14°Cstupních a tlaku přibližně 269 GPa. „Vzhledem k limitům nízké teploty by materiály s takovými mimořádnými vlastnostmi zcela změnily svět tak, jak si mnozí ani nedokáží představit a náš objev tyto bariéry prolomí a otevře dveře mnoha potenciálním aplikacím,“ říká Dias.
Zde je několik aplikací, které čekají na podobné materiály:
- Energetické sítě, které přenášejí
elektřinu bez ztráty až 200 milionů megawatthodin (MWh)
energie, ke které nyní
dochází díky odporu vodičů.
- Nový způsob pohonu levitovaných vlaků a jiných forem dopravy
- Lékařské zobrazovací a skenovací techniky.
- Rychlejší a efektivnější elektronika pro technologii digitální logiky a paměťových zařízení.
„Žijeme v polovodičové společnosti a s tímto druhem technologie můžete vzít společnost do supravodivé společnosti, kde už nikdy nebudete potřebovat věci jako baterie,“ říká Ashkan Salamat z Nevadské univerzity v Las Vegas, spoluautor objevu. Další výzvou, říká Dias, je nalezení způsobů, jak vytvořit supravodivé materiály pro pokojovou teplotu při nižších tlacích tak, že jejich výroba bude ekonomická ve větším objemu.
Výkonné supravodivé elektromagnety jsou již dnes kritickými součástmi, přístrojů pro magnetickou rezonanci a nukleární magnetickou rezonanci, urychlovačů částic a dalších pokročilých technologií, včetně ranných kvantových superpočítačů.
Supravodivé materiály používané v zařízeních však obvykle fungují pouze při extrémně nízkých teplotách - nižších než jakékoli přirozené teploty na Zemi. Toto omezení je činí nákladnými na údržbu a příliš nákladnými na rozšíření do dalších potenciálních aplikací. „Náklady na udržení těchto materiálů při kryogenních teplotách jsou tak vysoké, že z nich opravdu nemůžete plně těžit,“ říká Dias.
Dříve byla nejvyšší teplota pro supravodivý materiál dosažena v loňském roce v laboratoři Mikhaila Eremetsa na Max Planck Institute for Chemistry v německém Mainzu a ve skupině Russell Hemley na University of Illinois v Chicagu. Tento tým hlásil supravodivost při -23 až -13°C pomocí superhydridu lanthanu. Vědci také v posledních letech zkoumali oxidy mědi a chemikálie na bázi železa, jako potenciální kandidáty na vysokoteplotní supravodiče.
Vodík - nejhojnější prvek ve vesmíru - však také nabízí slibný stavební kámen. „Chcete-li mít vysokoteplotní supravodič, potřebujete silnější vazby. To je základní kritérium,“ říká Dias. „Vodík je nejlehčí materiál a vodíková vazba je jednou z nejsilnějších. Jsou však zapotřebí mimořádně vysoké tlaky, jen na to, aby se čistý vodík dostal do kovového stavu, čehož poprvé dosáhli v laboratoři v roce 2017 profesor Harvardské univerzity Isaac Silvera a Dias. A tak Diasova laboratoř v Rochesteru usilovala o změnu ve svém přístupu, přičemž jako alternativu použila materiály bohaté na vodík, které napodobují nepolapitelnou supravodivou fázi čistého vodíku a mohou být metalizovány při mnohem nižších tlacích. Nejprve laboratoř spojila ytrium a vodík. Výsledný superhydrid yttritý vykazoval supravodivost při tehdejší rekordně vysoké teplotě asi -11 °C a tlaku asi 1,7 TPa. Dále laboratoř prozkoumala kovalentní materiály odvozené od organických látek bohatých na vodík. Tato práce vyústila v uhlíkatý hydrid síry. „Tato přítomnost uhlíku zde má rovnocenný význam,“ uvádějí vědci.
Další „kompoziční ladění“ této kombinace prvků může být klíčem k dosažení supravodivosti při ještě vyšších teplotách.
