Vedci z MIT objavili ďalší kľúč k supravodivosti

Supravodivosť je unikátna vlastnosť niektorých materiálov, ktorá sa prejavuje nulovým elektrickým odporom. Supravodiče nachádzajú uplatnenie v progresívnych technológiách ako sú rýchlovlaky na magnetickom vankúši, reaktory pre jadrovú fúziu, či energetické úložiská. Má to však drobnú chybičku krásy. Supravodivosť vzniká skokovo až pri veľmi nízkych teplotách.

Tento štrukturálny posun je známy ako „nematický prechod“. Ale čo presne poháňa tento prechod v prvom rade? Odpoveď by vedcom mohla pomôcť zlepšiť existujúce supravodiče a objaviť nové.

Teraz fyzici MIT identifikovali kľúč k tomu, ako jedna trieda supravodičov prechádza nematickým prechodom. Objav prinieslo skúmanie selenidu železa (FeSe). Tento dvojrozmerný materiál je supravodičom na báze železa s najvyššou teplotou. Do supravodivého stavu prechádza pri teplotách „až“ 70 kelvinov (približne -203 stupňov Celzia). Väčšina supravodivých materiálov prechádza do stavu supravodivosti až niekoľko stupňov od absolútnej nuly (−273,15 °C). Dnes už síce existuje rad „vysokoteplotných“ supravodičov, ktoré stačí chladiť tekutým dusíkom (nad 77 K), namiesto tekutého hélia, „svätý grál“ v podobe supravodivosti pri izbovej teplote však zatiaľ odoláva.

Takéto supravodiče síce existujú, ale fungujú len veľmi krátko, alebo strácajú supravodivosť už pri malých prúdoch, takže sú fakticky nepoužiteľné.

Výskumníci z MIT pod vedením Riccarda Comina sa snažili pochopiť, ako sa materiály menia z tých, čo kladú elektrický odpor, na supravodiče. Je to skoková zmena. Máte typický kus kovu a potom odpor klesne na nulu a elektróny môžu voľne prúdiť.

Tím z MIT zistil, že selenid železa sa posúva k supravodivosti úplne novým mechanizmom. Atómy v selenide železa podstupujú skôr kolektívny posun vo svojej orbitálnej energii, než aby podstúpili koordinovaný posun spinov. Je to jemný rozdiel, ktorý otvára nové dvere k objavovaniu nekonvenčných supravodičov. Vedci zverejnili výsledky výskumu v štúdii uverejnenej v Nature Materials.

Elektrické káble pre prúdy 12 500 A (12,5 kA): klasická kabeláž (hore) a supravodivý kábel pre urýchľovač LHC v CERN-e.

V posledných rokoch fyzici použili nematicitu na opis koordinovaného posunu, ktorý posúva materiál do supravodivého stavu. Silné interakcie medzi elektrónmi spôsobujú, že materiál ako celok sa nekonečne roztiahne v jednom konkrétnom smere, ktorý umožňuje elektrónom voľne prúdiť v tomto smere. Otázkou bolo, aký druh interakcie spôsobuje toto naťahovanie.

V niektorých materiáloch na báze železa sa zdá, že toto rozťahovanie je poháňané atómami, ktoré spontánne posúvajú svoje magnetické rotácie tak, aby ukazovali rovnakým smerom. Vedci preto predpokladali, že väčšina supravodičov na báze železa robí rovnaký prechod riadený rotáciou.

Vedci špekulovali, že magnetický spin supravodivých materiálov by mohol byť tým mechanizmom nematicity, ale selenid železa sa tomu vymyká. Výskumníci sa zamerali na tento materiál, pretože prechádza na supravodič pri vyšších teplotách ako iné železné supravodiče, no nemá žiadne koordinované magnetické vlastnosti.

Pri svojom výskume vedci pracovali s ultratenkými vzorkami selenidu železa, ktoré nalepili na tenký prúžok titánu. Napodobňovali štrukturálne napínanie, ku ktorému dochádza počas nematického prechodu fyzickým naťahovaním titánového pásu, čím sa naťahovali aj vzorky selenidu železa. Vždy keď vzorky natiahli o zlomok mikrónu, hľadali akékoľvek zmeny  vlastností.

Pomocou röntgenových lúčov sledovali, ako sa správajú atómy a elektróny v každej vzorke. V určitej fáze naťahovania pozorovali jednoznačný, koordinovaný posun v orbitáloch atómov.

V selenide železa môžu elektróny zaujať jeden z dvoch orbitálnych stavov, pričom za normálnych okolností je tento výber náhodný. Vedci však zistili, že keď natiahli selenid železa, jeho elektróny začali v drvivej väčšine preferovať jeden orbitálny stav pred druhým. To signalizovalo jasný posun s novým mechanizmom nematicity a supravodivosti.

Ide o základný výskum, takže sa netreba predčasne tešiť na nejaké praktické aplikácie. Ale tento objav určite prispeje pri hľadaní nových supravodičov, ktoré budú dostupnejšie a jednoduchšie udržateľné.