Horní hranice teploty konvenčních supravodičů výrazně stoupla

Jedna z pouček z hodin chemie na základní škole, která mně utkvěla v paměti, zněla: „há dvě es smrdí jako pes“. Řeč byla o sirovodíku neboli sulfanu, chemicky H₂S, celkem jednoduché sloučenině, která je součástí sopečných plynů, uniká ze sirných pramenů a vzniká při rozkladu bílku – proto zkažená vajíčka neboli pukavci tak pekelně páchnou. Sám o sobě vzniká tento jedovatý plyn v biosféře relativně hojně, nicméně ze znalostí nabytých ve škole se mně zdálo, že není nijak užitečný. V posledních letech se ale sirovodík začal objevovat v odborném tisku a v médiích stále častěji. Ukázalo se, že v mozkové tkáni ovlivňuje správnou činnost neuronů, sehrává důležitou roli při zánětlivých procesech a reguluje některé životně důležité pochody, snad i proces stárnutí. V roce 2008 bylo na myších prokázáno, že sirovodík snižuje krevní tlak v organizmu, podobně jako oxid dusnatý. Společná práce vědců ze Zemědělské univerzity a z univerzity ve francouzském Lille v roce 2014 ukázala, že sirovodík vznikající ve vajíčcích ovlivňuje kladně kvalitu zrání vajíčka. V budoucnu by aplikace sirovodíku na vajíčka zrající ve zkumavce mohla vylepšit výsledky reprodukční medicíny. Tento mimořádně jedovatý plyn je tedy v malých koncentracích, zdá se, velmi prospěšný. Tělo je schopné sirovodík samo vyrábět, což je pravděpodobně dědictvím minulosti, kdy první bakterie využívaly sirovodík jako zdroj živin. V srpnu roku 2015 přišla další zajímavá zpráva: sirovodík za teploty 203 kelvinů je při tlaku 150 miliard pascalů supravodivý! Pokud jde o tzv. konvenční supravodivost, posouvá tento výsledek hranici teploty konvenčních supravodičů z hodnoty 39 K na novou hodnotu 203 K, což je nejvýraznější posun směrem k pokojovým teplotám v historii.

Molekula sirovodíku. Zdroj: Steve Jenkins.

Konvenční supravodiče

Základní přehled historie konvenční i vysokoteplotní supravodivosti čtenář najde v AB 36/2004. Proto si zopakujme některá fakta z tohoto bulletinu. Objev supravodivosti je spojen se jménem Heikeho Kamerlingha Onnese, který založil laboratoř nízkých teplot v Leidenu. Jako první zde v roce 1908 zkapalnil helium a zkoumal vlastnosti látek za velmi nízkých teplot. V roce 1911 zjistil, že odpor rtuti klesá při 4,2 K k nule a objevil supravodivost. Teplota, při které přechází látka z normálního do supravodivého stavu, se nazývá kritická teplota, pro rtuť činí právě 4,2 K. Onnes ukázal, že proud tekoucí supravodivým závitem přetrvává i bez externího zdroje po velmi dlouhou dobu. Známý je jeho experiment, kdy připravil závit protékaný proudem ve své laboratoři v Leidenu a odvezl ho i s chladícím zařízením do Cambridge, kde na přednášce demonstroval supravodivost. Proud v závitu i po převozu stále tekl…

Zajímavý je vliv magnetického pole na supravodivost. Při nízkých magnetických polích supravodivost přetrvává. Zvyšujeme-li hodnotu magnetického pole, dojde při určité kritické hodnotě pole k náhlému zrušení supravodivého stavu. Fázový přechod do supravodivého stavu je tedy podmíněn jak nízkou teplotou, tak nízkou hodnotou magnetického pole. V roce 1934 ukázal Walther Meissner, že supravodiče mají výrazné diamagnetické chování. Vytlačují ze svého nitra magnetické pole, které od povrchu exponenciálně ubývá (tzv. Meissnerův jev). Při kritické hodnotě pole přestává být látka diamagnetická a není již schopna aktivně vytlačovat magnetické pole ze svého nitra.

Supravodivost se podařilo vysvětlit Johnu Bardeenu, Leonu Cooperovi a Johnu Robertu Schriefferovi až v roce 1957. Podle počátečních písmen jejich jmen nazýváme tuto teorii BCS teorie. V kovech, které mají krystalickou strukturu, se za normální situace pohybují elektrony a také jsou zde přítomna kvanta elektromagnetického pole (fotony) a kvanta vibrací krystalové mříže (fonony). Elektrony si mezi sebou mohou vyměňovat jak fotony, tak fonony. A právě fononová interakce může být za určitých okolností přitažlivá. A pokud mají elektrony navíc opačně orientovaný spin a hybnost, je tato síla dokonce větší než odpudivá Coulombova interakce a elektrony vytvoří za nízké teploty vázaný pár (sdílejí stejný fonon, neboli stejnou pohybující se deformaci krystalové mřížky). Při teplotě vyšší, než je kritická, znemožní teplotní fluktuace setrvání dvou elektronů v jedné deformaci krystalové mřížky. Bez iontů, které vytvářejí krystalovou mříž, by mechanizmus samozřejmě nefungoval. Páry elektronů (tzv. Cooperovy páry) jsou ze statistického hlediska bosony. Takové částice se za nízké teploty hromadí v jednom jediném kvantovém stavu, vytvářejí tzv. bosonový kondenzát, který neklade tekoucímu proudu žádný odpor.

Supravodivost založená na tomto principu se dnes nazývá konvenční supravodivost. V roce 1986 byla ještě objevena vysokoteplotní supravodivost, která má jiný, dosud ne zcela prozkoumaný mechanizmus (viz AB 36/2004). Slovem vysokoteplotní se rozumí supravodivost materiálu za teploty běžně dostupného kapalného dusíku. Supravodivost tohoto typu vykazují některé keramiky, příkladem mohou být LBCO, YBCO nebo 1-2-3 sloučeniny. Na některých pracovištích se podařilo vytvořit i materiály supravodivé za pokojové teploty, ale supravodivost byla jen krátkodobým nestabilním jevem, který silně narušuje i slabé magnetické pole. Stabilní supravodič, který by vedl dlouhodobě měřitelný proud za pokojové teploty, nebyl zatím připraven.

Experimenty se sirovodíkem

Po dlouhou dobu se zdálo, že konvenční supravodivost založená na Cooperových párech probíhá jen za velmi nízkých teplot. Žádné teoretické omezení pro hodnotu kritické teploty ale neexistuje a v principu by jev mohl probíhat i za pokojové teploty. Od objevu supravodivosti byla nalezena řada supravodivých materiálů, jejichž kritická teplota se pohybovala do 20 K. Asi největším světovým „lovcem“ supravodičů v historii se stal Bernd Matthias, který objevil zhruba 100 nových supravodivých látek. V roce 1973 připravil supravodivý Nb₃Ge s kritickou teplotou 23 K. Tato teplota byla až donedávna považována za nepřekonatelnou hranici teploty konvenčního supravodiče. Ke změně došlo v roce 2001, tedy po 28 letech. Japonskému týmu z AAG (Akimitsu of Aoyama-Gakuin) univerzity v Tokiu se podařilo připravit supravodivý diborid hořčíku MgB₂, který má kritickou teplotu 39 K. Posun to byl sice velký, ale nikoli zásadní, protože k chlazení na tuto teplotu nestačí kapalný dusík. Navíc se v roce 2001 už průmyslově vyráběly vysokoteplotní supravodiče s podstatně vyšší kritickou teplotou.

Podle BCS teorie jsou pro vznik Cooperových párů podstatné vibrace krystalové mříže. Čím vyšší frekvence, tím snazší je vznik Cooperových párů. Obecně na vyšších frekvencích kmitají lehčí prvky. Ideální by byl tedy samotný vodík, ale příprava jeho krystalické formy má zásadní problémy. Vyšší kritickou teplotu bylo možné očekávat u sloučenin bohatých na vodík. A tady přichází v roce 2015 na scénu sirovodík. Za normálních podmínek jde o bezbarvý silně jedovatý plyn, který kondenzuje na kapalinu při teplotě 213 K (–60 °C) a mění se na pevnou látku při teplotě 191 K (–82 °C). Tým vědců vedený Mikhailem Eremetsem z MPI spolu s vědci z Univerzity Johanna Guttenberga (obě instituce sídlí v německé Mohuči) konaly experimenty se sirovodíkem za extrémně vysokého tlaku. Sirovodík stlačovali za pomoci diamantové kovadliny. Supravodivého stavu dosáhli za tlaku 150×10⁹ Pa (1,5×10⁶ atmosfér) při teplotě 203 kelvinů (–70 °C). Podle výpočtů by se za těchto tlaků měl H₂S měnit na H₃S, tedy sloučeninu na vodík bohatší než sirovodík. Vibrace vodíku by měly být zodpovědné za tvorbu Cooperových párů. Výsledek je velmi překvapivý, nejde sice o pokojovou teplotu, ale o teplotu, která už byla na Zemi naměřena. Své výsledky tento vědecký tým publikoval v srpnovém vydání prestižního časopisu Nature.

* * *

Ihned po publikaci se vynořily pochybnosti, zda jde skutečně o konvenční supravodivost, tj. supravodivost založenou na formování Cooperových párů. Mohlo by totiž jít o nějaký jiný exotický mechanizmus, například o supravodivost spojenou s děrovou vodivostí  aniontů síry. Pokud se však prokáže, že jde o konvenční supravodivost, znamená tento experiment zásadní průlom. Hledání supravodivosti ve sloučeninách bohatých na vodík by mohlo vést k přípravě konvenčních supravodičů za pokojové teploty.

Diamantová kovadlina použitá v experiemntu. Zdroj: JGU Mohuč.

Odkazy