Nov temperaturni rekord superprevodnikov

Raziskovalci z Inštituta Maxa Plancka za kemijo v nemškem Mainzu so odkrili, da žveplovi hidrid SH_n izkazujejo superprevodnost do temperature 190 K oziroma -83 °C, kar je absolutni rekord. Manjša težava je le, da so morali za dosego tega rekorda tlak zvišati na 150 GPa, kar je približno 1.500.000-krat več kot na Zemljinem površju. A odkritje ima kljub temu velik fizikalni pomen.

Ko so leta 1911 odkrili superprevodnost, so bili nad učinkom osupli, razložiti pa ga niso znali vse do leta 1957. Nekateri materiali so pri zadostni ohladitvi izgubili vsakršno električno upornost. Po sklenjeni zanki je lahko tok tekel v nedogled, kar bi bilo izvrstno tako za shranjevanje energije kakor prenos brez izgub. Superprevodniki tudi izbijajo vsakršno magnetno polje, kar najlepše demonstrira Meissnerjev efekt. To je kvantni efekt, ki klasično ni razložljiv. Superprevodnost izgine z naraščanjem temperature, magnetnega polja ali vsebnosti nečistoč v kristalu.

Prvo kvantitativno teorijo superprevodnosti (BCS) smo dobili šele leta 1957, John Bardeen, Leon Cooper in John Robert Schrieffer pa so zanjo leta 1972 prejeli Nobelovo nagrado za fiziko. V teoriji, ki jo imenujemo tudi teorija klasičnih superprevodnikov, pojav razlagamo s Cooperjevimi pari elektronov, ki se sesedejo v isto kvantno stanje. Elektroni so fermioni (s spinom 1/2) in se ne morejo, v Cooperjevem paru pa sta dva elektrona šibko vezana, in spin takega delca je celoštevilčni. Zato se lahko sesedejo v isto stanje kot bozoni. Interakcijo med elektroni prenašajo fononi, kakor imenujemo ekscitacije kristalne rešetke, kadar jih obravnavamo kot psevdodelce.

Teorija BCS opisuje klasično superprevodnost, ki jo najdemo pri večini kovin pri nizkih temperaturah. Rekord je imel magnezijev diborid pri 39 K. Izračuni so kazali, da bi lahko nekateri hidridi to temperaturo bistveno dvignili, a eksperimentalnih potrditev ni in ni bilo.

Ostali superprevodniki so keramični, mehanizem superprevodnosti pa je drugačen in slabše pojasnjen. Pri običajnem tlaku ima rekord keramika iz živega srebra, barija, kalcija, bakra in kisika, ki je superprevodna do temperature 133 K (-138 °C). Z višjimi tlaki je mogoče to temperaturo dvigniti vse do 164 K.

Odkritje superprevodnosti žveplovih hidridov je pomembno iz dveh razlogov. Prvič, gre za absolutni temperaturni rekord, dasiravno pri nepraktičnem tlaku. Pomembnejše pa je dejstvo, da je klasični superprevodnik. Doslej je veljal konsenz, da je superprevodnost BCS omejena na 40 K, ker so elektroni v pare vezani tako šibko, da je termična energija pri višjih temperatura tako visoka, da jih razdvoji. Novo odkritje kaže, da to ne drži. Rezultate je treba še preveriti z nekaterimi testi, da bomo zagotovo trdili, da gre za superprevodnost, a vsi preliminarni indici podpirajo to dejstvo.