Naslovnice medija, osobito onih znanstveno-popularnih, posljednjih dana pune vijesti prema kojima su znanstvenici uspjeli pronaći materijal koji ima svojstvo supervodiča, odnosno supravodiča na sobnoj temperaturi i normalnom tlaku, što se smatra jednim od svetih gralova znanosti.
O tom novom materijalu objavljena su čak dva znanstvena rada u bazi arXiv.org, no oni još nisu prošli recenziju. U njima tim južnokorejskih znanstvenika tvrdi da su otkrili da električni otpor materijala nazvanog LK-99 naglo nestaje na sobnoj temperaturi.
Ako se ovo otkriće potvrdi, opisani materijal mogao bi unijeti golemu promjenu u mnoge tehnologije u kojima se koristi električna energija što uključuje prijenos električne energije bez gubitaka, magnete za medicinsku dijagnostiku kao što je MRI, magnete za fuzijske reaktore, magnete ubrzivača elementarnih čestica kakvi postoje u CERN-u, lebdeće magnetske vlakove tzv. 'maglev vlakove', kvantna računala itd.
Spoj više elemenata
U svojim radovima znanstvenici tumače da je LK-99 napravljen tako što je došlo do reakcije između lanarkita (Pb2SO5) i bakrenog fosfida (Cu3P) te da je materijal postao supravodljiv na temperaturi od 400 K, odnosno 127°C (Kelvini se računaju od apsolutne nule, odnosno -273.15℃, dok se Celzijevi stupnjevi računaju od ledišta vode).
Također predstavljaju detaljan recept za izradu kuglica veličine grožđica od slitine, što zahtijeva miješanje preciznih omjera praškastih sastojaka i zatim pečenje smjese na visokim temperaturama.
Konačno, predstavljaju i pokuse koje su napravili s LK-99.
Rezultate treba uzeti sa zrnom soli
Ovdje je odmah na početku potrebno istaknuti neke važne stvari.
Jedna je da ne postoje poznati fizikalni zakoni koji bi onemogućavali postojanje supravodljivosti na sobnoj temperaturi. Problem pronalaska takvih supravodiča svodi se na tehnološka istraživanja jer još uvijek nema potpunog fizikalnog modela za tumačenje supravodljivosti, osim tzv. BCS modela za supravodiče s kritičnim temperaturama do 25 Kelvina, o kojem će biti riječi kasnije u tekstu.
S druge strane problem je u tome što je u povijesti bilo jako puno objava o pronalasku supravodiča koji funkcioniraju na sobnoj temperaturi da bi se ubrzo pokazalo da u radovima postoje neki problemi ili da nitko nije uspio ponoviti iste eksperimente.
O nekim takvim slučajevima već smo pisali na Indexu.
>> Novo znanstveno otkriće moglo bi promijeniti sve u vezi sa strujom
Zbog takve povijesti, neki su znanstvenici supravodljivost na sobnoj temperaturi u šali počeli nazivati USO (neidentificirani supravodljivi objekti), po uzoru na UFO-e (neidentificirane leteće objekte).
Rezultati za sada nisu uspješno replicirani
Istaknimo također da je od objave radova 22. srpnja do danas provedeno više pokušaja repliciranja eksperimenta te da je tek dio njih dao neke rezultate, poput djelomične levitacije, ali ne i svi.
Primjerice, kineski znanstvenici sa Sveučilišta Qufu Normal objavili su da nisu primijetili nulti otpor, jednu od nužnih karakteristika supravodiča, dok su njihovi kolege s Jugoistočnog sveučilišta u Nanjingu ustvrdili da su izmjerili nulti otpor, ali samo na temperaturi od -163℃.
Stoga je novu vijest važno uzeti s priličnom dozom opreza, osobito kada se uzme u obzir još i činjenica da su neki znanstvenici otkrili da u novom radu ima nekih grešaka, ali i nedefiniranih detalja postupka sinteze materijala. One mogu biti slučajne, rezultat žurbe ili želje da se ne otkriju sve karte, no ipak ulijevaju određeno nepovjerenje.
Supravodljivost već postoji
Postojanje supravodiča nije novost. Postoje stotine materijala koji imaju svojstvo supravodljivosti; jedan dio čine elementi i metalne legure supravodljivi na sobnom tlaku do 25 K, a drugi su oksidni materijali, supravodljivi na sobnom tlaku i nešto višim temperaturama ispod 133 K. Tu je i niz drugih elemenata i spojeva za koje je supravodljivost opažena uz primjene različitih tlakova, često vrlo velikih vrijednosti, što je sve skupo i teško izvedivo za široku komercijalnu primjenu.
Što je supravodljivost?
Supravodljivost je svojstvo nekih materijala da provode električnu struju bez gubitka energije, odnosno bez otpora, uglavnom na vrlo niskim temperaturama.
Otkrio ju je Heike Kamerlingh Onnes 1911. dok je proučavao ovisnost električnog otpora žive o temperaturi. Primijetio je da taj otpor postaje nemjerljiv na temperaturama nižim od -269°C, za što je dobio Nobelovu nagradu 1913.
Jedno od zanimljivih svojstava supravodiča je da struja u njima može nastaviti teći godinama nakon što se isključi izvor struje. Primjerice, Onnes je 1911. izveo eksperiment u kojem je struja u prstenu od žive, čiju je temperaturu pomoću tekućeg helija održavao na nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule, tekla bez otpora još dvije godine. Nastavila bi i dalje, da nije bilo štrajka u isporuci tekućeg helija.
Dobri vodiči nisu dobri supravodiči
Kako smo već naveli, svojstvo supravodljivosti do danas je otkriveno u brojnim metalima i legurama. No zanimljivo je da one tvari koje su na običnoj temperaturi najbolji električni vodiči, poput zlata, platine, bakra i srebra, zbog određenih fizikalnih svojstava nisu dobri supravodiči.
Tipovi supravodiča
Hrvatski fizičar Amir Hamzić, koji je dobar dio svoje karijere posvetio istraživanjima supravodiča, kaže da se razdoblje od Onnesovog otkrića 1911. pa do 1970-ih naziva razdobljem "klasične" supravodljivosti te da su tijekom njega intenzivna eksperimentalna i teorijska istraživanja imala za cilj, s jedne strane, pronaći materijale sa·što višom vrijednošću kritične temperature, a s druge dati i potpuno fizikalno objašnjenje supravodljivosti.
"U tom razdoblju otkriveni su i postali tehnološki raspoloživi brojni materijali pogodni za široku primjenu, a prvi prototipovi novih uređaja napravljeni uz pomoć njih dokazali su svoje prednosti", kaže Hamzić.
"Novi spektakularan rezultat ostvaren je 1986., kada je započela era tzv. oksidnih materijala sa znatno višim kritičnim temperaturama i do 133 K, te s mogućnostima stvaranja znatno jačih magnetskih polja, ali u formama koje nisu bile pogodne za primjene. Od tada počinje i intenzivnija potraga za supravodičima sa što višim kritičnim temperaturama, no ona je dosta empirijska jer ne postoji nikakvo sveobuhvatno fizikalno objašnjenje visokotemperaturne supravodljivosti", tumači Hamzić.
U novije vrijeme sve se češće pronalaze materijali koji su supravodljivi pod tlakom. Kod tih tzv. hibridnih supravodiča supravodljivost se može postići na golemim tlakovima koji se u nekim od primjera mjere u stotinama gigapaskala (GPa).
Hamzić kaže da je negativan primjer za to rad objavljen 2020. u časopisu "Nature" o supravodljivosti koja je na sobnoj temperaturi postignuta na 267 GPa, što je 2400 puta više od tlaka na dnu Marijanske brazde, najdublje točke u oceanima.
"Nakon objave javila su se pitanja vezana uz pravilnosti analize objavljenih rezultata što je konačno dovelo do toga da je Nature povukao objavljeni članak."
Kako funkcioniraju supravodiči?
Od otkrića prvog supravodiča do predstavljanja prvog uspješnog teorijskog tumačenja supravodljivosti koje je objasnilo sva svojstva tzv. klasičnih supravodiča, čije su kritične temperature niže od 25 K, prošla su desetljeća. Njega su 1957. predstavili John Bardeen, Leon Cooper i John R. Schrieffer, ono je po autorima nazvano "BCS teorija", a trojac je nagrađen Nobelovom nagradom.
Kako izgleda to tumačenje?
Na normalnim temperaturama elektroni se u kristalu ne mogu slobodno kretati bez sudaranja s vibrirajućim atomima u materijalu - sudaraju se ili s vibracijama kristalnih rešetki (fononima) i/ili s nečistoćama, što uzrokuje otpor i gubitak energije u obliku topline.
Pojednostavljeno rečeno, prema BCS teoriji negativno nabijeni elektroni svojim prolazom kroz kristalnu rešetku pozitivno nabijenih iona dovode do distorzije rešetke. Time se emitira fonon, odnosno formira se pozitivni naboj koji potom privlačno utječe na drugi elektron, pa se dva elektrona vežu u tzv. Cooperov par, umjesto da se odbijaju zbog istog, negativnog naboja.
Hamzić kaže da se takvi parovi kontinuirano razbijaju i formiraju, no da je zbog nemogućnosti razlikovanja elektrona jednostavnije promatrati sliku u kojoj dva elektrona stalno čine isti par.
"Cooperovi parovi slijede kvantno-mehanička pravila koja su drugačija od onih koja vrijede za pojedinačne elektrone. Na temperaturi od 0 K svi elektroni su spareni. Prijelaz iz normalnog u supravodljivo stanje je kondenzacija elektrona u novo energetsko stanje, koje je od ostalih elektronskih stanja odvojeno tzv. energetskim procjepom. Porastom temperature jačaju fononske vibracije, parovi elektrona se počinju razbijati, da bi na kritičnoj temperaturi svi Cooperovi parovi bili razbijeni i materijal prešao u normalno stanje u kojem više nije supravodljiv", tumači Hamzić.
Analogija s plesnim podijem
Kaže da se to može pokušati ilustrirati analogijom s plesom u kojoj je svaki elektron plesač.
"U toj analogiji normalan otpor odgovara situaciji u kojoj se na podiju plešu moderni plesovi - partneri nisu uvijek zajedno i sudaraju se s drugim plesačima, što odgovara otporu.
Cooperov par je par koji pleše tango između ostalih plesača koji plešu svašta. Partneri u tangu međusobno su jako koordinirani, no svaka interakcija s okolnim plesačima izbacuje ih "iz takta" i par se razbija.
Prisutnost BCS elektrona podsjeća na plesove na otmjenim dvorovima u XVIII. ili XIX. stoljeću. Plesači su u krugu, svako malo partneri se mijenjaju, pa se opet susreću, no gledano s balkona osnovna formacija grupe uvijek je ista. Ako netko i pogriješi u plesnom koraku, to ne utječe na cjelokupni oblik cijelog plesnog kruga. Potrebno je da svi istovremeno pogriješe, a tada opet nastupa prva slika", opisuje naš sugovornik.
Ovdje treba istaknuti da za tzv. visokotemperaturne oksidne supravodiče, koji vode struju bez otpora i do 133 K (-140℃), još uvijek, 30 godina nakon njihovog otkrića, nema potpunog teorijskog objašnjenja, pa se zato ne može predvidjeti gornja granična kritična temperatura.
Meissnerov efekt - lebdenje
Osim provođenja struje bez otpora, supravodiči imaju još jedno spektakularno svojstvo koje se naziva Meissnerov efekt, a manifestira se kao izbacivanje magnetskog polja iz supravodiča pri njegovom prijelazu u supravodljivo stanje. Ako je prije hlađenja magnetsko polje u materijalu bilo nula, u ohlađenom, supravodljivom stanju, izvanjsko magnetsko polje neće moći prodrijeti u unutrašnjost materijala.
Riječ je o kvantno-mehaničkom efektu koji se pojednostavljeno govoreći može objasniti na sljedeći način: kako se supravodič u magnetskom polju hladi na temperaturi na kojoj naglo gubi električni otpor, cijelo ili dio magnetskog polja unutar materijala izbacuje se iz supravodiča. Drugim riječima, silnice magnetskog polja magneta koji se nalazi u blizini supravodiča ne mogu prolaziti kroz supravodič već na njegovoj površini pokreću tok elektrona koji pak generira suprotno, odnosno zrcalno magnetsko polje. Kako materijal prelazi u supravodljivo stanje, elektroni u njemu teku bez trenja pa takvo magnetsko polje postaje dovoljno snažno da odbije vanjski magnet jednakom i suprotnom snagom. Rezultat je da će supravodič, ako se postavi iznad magneta, ondje stabilno levitirati.
Postoje značajni planovi za korištenje ovog efekta u transportu (tzv. maglev ili lebdeći vlakovi). U njihovoj realizaciji najdalje su došli u Japanu i Kini s prototipovima koji postižu brzine preko 600 km/h.
Ova levitacija jedno je od svojstava koje se mora dokazati kada se tvrdi da je napravljen novi supravodič.
Prvi supravodič na višim temperaturama sintetiziran je u Zagrebu
Hamzić kaže da u Hrvatskoj do 1986. nisu postojala sustavna istraživanja supravodljivosti, no da su se već tada u eksperimentalnim istraživanjima koristili gotovi supravodljivi magneti jer su njihova polja bila značajno jača od klasičnih elektromagneta.
"Promjena je nastupila otkrićem supravodljivosti u prvom oksidnom supravodiču La-Ba-Cu-O 1986., s kritičnom temperaturom oko 35 K, za što su Bednorz i Muller dobili Nobelovu nagradu 1987. U jesen 1986. kolega Mladen Prester s Instituta za fiziku pozvao me da mu se, zajedno s Nevenkom Brničević s Instituta Ruđer Bošković, pridružim u Zagrebu da započnemo istraživanja novih oksidnih supravodiča. Nakon uspješne potvrde rezultata za La-Ba-Cu-O, početkom 1987. do nas su došle vijesti o još spektakularnijem otkriću do danas najpoznatijeg oksidnog supravodiča Y-Ba-Cu-O, čija se kritična temperatura od 92 K ili -181℃ mogla postići puno jednostavnije i jeftinije korištenjem tekućeg dušika na -196℃, umjesto tekućeg helija.
Unutar tjedan dana nakon objave rada u ožujku 1987. uspješno smo sintetizirali i reproducirali objavljeni rezultat za Y-Ba-Cu-O. Kasnije, krajem 80-ih i početkom 90-ih, u istraživanja visokotemperaturnih supravodiča uključio se veći broj eksperimentalnih i teorijskih istraživačkih grupa u Hrvatskoj, no nakon nekoliko godina ostale su samo neke koje još uvijek aktivno pridonose razumijevanju i razvoju ovih kupratnih materijala. U istraživanjima supravodljivosti ostao sam do 1991. i u koautorstvu ukupno objavio desetak radova u međunarodnim časopisima, od kojih mogu istaknuti rad objavljen u Nature 1991. godine", zaključio je Hamzić.