Slovenskí vedci z Materiálovotechnologickej fakulty STU so sídlom v Trnave sa podielali na objave, ktorý by nás mohol míľovými krokmi posunúť bližšie k supravodivosti pri izbovej teplote. Čo to bude pre nás znamenať? Možno veľmi veľa.
Doteraz najvýznamnejšia aplikácia supravodičov sa nachádza v medicíne. Diagnostická metóda MRI (zobrazovanie magnetickou rezonanciou), ktorá odhaľuje najmenšie patologické zmeny v ľudskom organizme bez jeho narušenia, pomáha denne zachraňovať množstvo životov na celom svete.
Supravodič je materiál s výnimočnými elektrickými a magnetickými vlastnosťami. Predstavme si elektrický prúd tečúci supravodivým káblom nekonečne dlho. Kábel sa pritom vôbec nezohrieva, aj keď sa ním prenáša 5-násobne viac energie ako v obyčajnom elektrickom kábli. Alebo si predstavme super rýchle vlaky vznášajúce sa nad zemou, ktoré uháňajú krajinou s rýchlosťou takmer 600 km/h. Nie menej lákavá je aj predstava o super výkonnom kvantovom počítači, ktorý spracúva obrovské množstvo informácií súčasne.
Problémom je príliš nízka teplota
Má to však veľký háčik. Supravodivosť vieme dosiahnuť iba pri extrémne nízkych teplotách a preto si všetky tieto prístroje vyžadujú neustále kryogénne chladenie. To je súčasne najväčší dôvod, prečo sme v našich domácnostiach ešte nevymenili bežné elektrické káble za supravodivé. Situácia by sa radikálne zmenila, ak by sme objavili materiál, ktorý by bol supravodivý pri bežnej izbovej teplote.
Vôbec nie je jasné ako na to, pretože supravodivosti ešte stále úplne nerozumieme. Nemáme vedeckú teóriu, ktorá by so stopercentnou úspešnosťou predpovedala, či daný materiál bude alebo nebude supravodivý. Vedci sú pri ich hľadaní odkázaní na metódu pokus – omyl, pričom sa opierajú o podobnosti s tými, ktoré už poznajú.
Z tohto hľadiska najvýznamnejšie z doteraz objavených supravodičov sú keramické materiály na báze medi a kyslíka. Ide o najväčšiu skupinu materiálov, ktoré dosahujú supravodivý stav pri teplotách približujúcich sa teplote tekutého dusíka (77 K). Vo svete supravodivosti ide o neobyčajne vysoké teploty, preto sa im hovorí vysokoteplotné keramické supravodiče. Ich veľký význam tkvie hlavne v tom, že všetky materiály, ktoré tvoria túto skupinu majú tie isté charakteristické črty. Vedci sa domnievajú, že dosiahnutie tých istých charakteristických čŕt v iných materiáloch povedie k objavu novej rodiny supravodičov. Horúcim kandidátom je kryštál zložený z atómových vrstiev striebra a fluóru, tzv. fluorid striebornatý AgF2.
Výskum materiálov zo striebra a fluóru
Medzinárodný tím, ktorý pozostáva z výskumníkov z MTF STU, viacerých krajín Európskej únie a USA, sa dlhodobo venuje výskumu materiálov zo striebra a fluóru. V najnovšej štúdii poukázali na to, že materiály tvorené vhodnou kombináciou týchto prvkov sú nápadne podobné keramickým vysokoteplotným supravodičom. Ba čo viac, majú potenciál ich prekonať.
V januári tohto roka vedci predstavili svojho najnovšieho horúceho kandidáta, ktorý má potenciál prekročiť rekordne vysoké teploty supravodivosti keramických supravodičov. Ich štúdiu zverejnil prestížny časopis Americkej akadémie vied PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America).
Detail časti polykryštalickej vzorky AgF2, horúceho kandidáta na prekurzor novej rodiny vysokoteplotných supravodičov (Zdroj: Centrum nových technológii Varšavskej univerzity)
Vedci hľadali nový vrstevnatý materiál, ktorého atómové vrstvy by pripomínali šachovnicu. Taká atómová šachovnica je totiž charakteristickou štrukturálnou črtou vysokoteplotných keramických supravodičov. Je tvorená atómami medi a kyslíka (obrázok nižšie). Keď ju našli v materiáli vytvoreného zo striebra a fluóru (AgF2), zamerali sa na správanie sa elektrónov v nej. Zistili, že tie sa správajú veľmi podobne ako v supravodivých keramických materiáloch, teda ako malé magnety, ktoré sa extrémne silno priťahujú.
Najväčším povzbudením však je, že tieto interakcie sú oveľa silnejšie, ak sa vrstvy ešte viac vyrovnajú, keďže v materiáli AgF2 sú pokrčené. Vedci veria, že pravé takéto obrovské magnetické interakcie vo vrstevnatých materiáloch sú kľúčom k vysokým teplotám supravodivosti. AgF2 je prvý vážny kandidát, v ktorom sa po dopovaní očakáva dosiahnutie vyššej teploty supravodivosti ako v súčasnosti preslávených keramických supravodičoch.
Viac detailov sa môžete dočítať vo vedeckom časopise PNAS Silver route to cuprate analogs (DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1812857116).
Slovenská technická univerzita v Bratislave už 80 rokov ponúka moderné a plnohodnotné univerzitné štúdium s perspektívou zaujímavej a dobre platenej práce po jej skončení. Úspechy pramenia najmä z prepájania vzdelávania s výskumnou a inžinierskou činnosťou. Na siedmich fakultách a univerzitnom ústave študovalo v ostatnom akademickom roku takmer 13 000 študentov. V roku 2017 riešili tímy univerzity 334 projektov pre prax a takmer 500 grantových výskumných projektov. STU je najväčšou a najstaršou technickou univerzitou na Slovensku.
Odborný garant textu: doc. Mgr. Mariana Derzsi, PhD.
Informácie a foto poskytla: Mgr. Katarína Macková, Slovenská technická univerzita v Bratislave
Redigovala a uverejnila: Marta Bartošovičová, NCP VaT pri CVTI SR
Ilustračné foto: STUBA.SK