Dobili smo prvi superprevodnik na sobni temperaturi

Ameriški znanstveniki so naposled poskrbeli za dolgo želeno odkritje snovi, ki elektriko brez upora prevaja pri za človeka normalnih temperaturah, saj spojina vodika, ogljika in žvepla to zmore pri skoraj petnajstih stopinjah Celzija. Dogodek rahlo kazi dejstvo, da odkritje ne bo kmalu praktično uporabno, saj so morali v zameno tlak dvigniti na več milijonov barov, kar otežuje tudi razlago, kaj nastala snov sploh je. Toda kljub temu gre za zgodovinski znanstveni dosežek.

Superprevodnost pri sobni temperaturi je eden tistih tehnoloških svetih gralov, ki obljubljajo prelomne nove iznajdbe in zmogljivosti. Takšna lastnost bi znatno olajšala in pocenila prenos električne energije ter povzročila množičen prodor naprav, ki so trenutno drage in zapletene - na primer lebdečih vlakov, naprednih medicinskih diagnostičnih skenerjev in supermočnih magnetov. Pojav superprevodnosti - električnega toka brez upora - je že od odkritja pred več kot stotimi leti vezan na zelo nizke temperature, ki so bile izven laboratorijev dolgo nedosegljive, saj je bilo zanje potrebno uporabiti tekoči helij, ki je razmeroma drag in terja strokovno rokovanje. V poznih osemdesetih letih prejšnjega stoletja pa so odkrili keramike iz bakrovih oksidov, ki so postale prvi visokotemperaturni superprevodniki - ker imajo "delovno" temperaturo nad vreliščem tekočega dušika (kar je pri -196 stopinjah Celzija), ki je mnogo preprostejši in cenejši za uporabo od helija. Takrat je vzniknilo upanje, da bi napredek vendarle lahko postregel s snovmi, ki bi to eksotično spodobnost izražale pri nam bolj domačih razmerah.

Pot do prebitja temperaturne magične meje nič stopinj Celzija je bila dolga in polna zastojev ter slepih ulic. Omenjene kupratne keramike nas niso pripeljali kaj prida daleč. Pred dobrim desetletjem so upe na primer polagali v halkogenidne snovi, ki imajo poleg ostalega tudi samosvoje magnetne značilnosti. V višjo prestavo pa je področje raziskovanja naposled pognalo odkritje izpred slabih šestih let - da imajo hidridi, torej spojine z vodikom, še posebno visok potencial za doseganje superprevodnosti. Za razlago moramo poznati klasično teorijo superprevodnosti ali BCS, ki so jo leta 1957 predložili John Bardeen, Leon Cooper in John Robert Schrieffer ter zanjo pozneje prejeli Nobelovo nagrado. Po teoriji BCS do superprevodnosti pride, ko se elektroni šibko vežejo v tako imenovane Cooperjeve pare, s celoštevilčnim spinom. To pomeni, da se lahko vsi pari posedejo v isto kvantno stanje, s čimer nastane neke sorte "kvantna juha", ki lahko izbere poljubno pot skozi snov, s tem pa se izogne trkanju ob kristalno strukturo. Elektrone pa moramo za združevanje v Cooperjeve pare pošteno prepričevati, saj se po svoji naravi odbijajo. To storimo z vibracijami kristalne rešetke, ki so pri tem najbolj učinkovite ob visokih frekvencah. Tu pridemo do vodika, ki zaradi nizke mase omogoča visoke frekvence nihanja kristalne strukture.

Dolgo časa je bila v tem oziru vodilna skupina raziskovalcev z Inštituta Maxa Plancka za kemijo v Mainzu, ki je poskrbela za uvodne preboje in pred petimi leti spojino kovinskega vodikovega sulfida prignala do superprevodnosti pri -70 ^oC. Že tedaj pa je postalo očitno, da bo potrebno za uspehe vse bolj višati tudi tlak, kajti omenjeni dosežek je terjal kar 96 gigapaskalov ali skoraj milijonkrat večji tlak od onega na morski gladini. Tako so konec leta 2018 rezultat še izboljšali z lantanovim hidridom: na -23 stopinj Celzija pri tlaku 170 gigapaskalov. Sedaj pa so jih naposled prehiteli ameriški kolegi z več ustanov, med drugim Univerze Rochester v New Yorku in Nevadske univerze v Las Vegasu. Uporabili so zanimiv trik, ki odpira novo področje raziskovanja: snovi so dodali tretji element, s čimer so želeli uvesti dodaten parameter za nastavljanje lastnosti kristala. Žveplu in vodiku tako tu dela družbo še ogljik.

Postopek, opisan v članku za Nature, je precej zapleten. Posebej na drobno zmlete kroglice zmesi ogljika in žvepla so postavili v diamantno nakovalo ter injecirali plinasti vodik. Sledilo je večurno obsevanje z laserjem, ki je razbilo molekule žvepla. Nastal je kristal, ki pri nižjem tlaku sploh ni obstojen in je obenem zelo majhen - v premeru manj kot mikrometer. Toda zadevščina je po vseh treh najvažnejših kriterijih superprevodna, in sicer pri 287,7 kelvinih ter tlaku 267 GPa. Ali povedano drugače, pri dobrih štirinajst in pol stopinjah Celzija ter tlaku, ki je več kot dvainpolmilijonkrat tolikšen kot na morski gladini in primerljiv s tistim v Jupitrovi sredici. Gigantski pritisk in majhnost vzorca botrujeta dejstvu, da raziskovalci ta hip sploh še ne poznajo natančne zgradbe nastalega kristala, saj za to še nimamo dovolj dobrih merskih metod, ker običajni kristalografski prijemi z rentgensko svetlobo ali čim podobnim tu ne vžgejo. Domneva se, da bi si lahko pomagali z naprednejšimi nevtronskimi viri, kar bo brez dvoma eno naslednjih poglavij raziskovanja.

Po eni strani gre torej za čisto bazično, četudi prelomno odkritje. Toda po drugi plati morda praktična raba vendarle ni več tako daleč. Že za red velikosti nižji tlak bi odprl veliko različnih možnosti, na primer zasnovo zelo natančnih magnetnih senzorjev. Nedvomno bo odkritje sedaj sprožilo tekmo v trgovanju med temperaturo in tlakom, v kateri bodo raziskovalci skušali najti neko ekonomično ravnotežje praktično dosegljivih zahtevanih razmer za superprevodnost. Vse kaže, da smo na pragu širšega prodora te zmogljivosti v naša življenja.