Ugledne znanstvene revije med ključne preboje v znanosti v lanskem letu uvrščajo dolgo pričakovano odkritje materiala, ki elektriko brez upora prevaja pri sobni temperaturi. Oktobra lani je namreč odmevala novica, da je raziskovalcem prvič v zgodovini uspelo doseči superprevodno stanje pri sobni temperaturi, resda pa pri izjemno visokem tlaku, zaradi česar odkritje za zdaj ostaja akademski dosežek brez perspektive za praktično uporabo.

"Mislim, da je bilo naše odkritje znotraj strokovne javnosti dobro sprejeto, vsi smo vznemirjeni zaradi ugotovitev, saj so znanstveniki precej časa menili, da superprevodnost pri sobni temperaturi ni mogoča," je pogovoru za Val 202 začel eden od soavtorjev študije, objavljene v reviji Nature, fizik Ranga Dias, ki kot profesor deluje na ameriški univerzi Rochester. Superprevodnost je problem, ki je znan že stoletje, zdelo se je, kot da so raziskave obstale pri nizkih temperaturah. "Toda z našim odkritjem smo dobili potrditev, da je superprevodnost mogoča tudi pri sobnih temperaturah. Zdaj je pred nami naslednji izziv – najti material, ki bo superprevoden tako pri sobni temperaturi kot pri običajnem tlaku."

Kot je plastično opisal, je superprevodnost fenomen oziroma lastnost materiala, pri kateri je električni upor enak nič. Pri običajnih električnih žicah govorimo o uporu, zato tudi imamo električne izgube. In če si zdaj predstavljamo material oziroma žico, ki ne bi imel nikakršnega upora in se po njem ne bi izgubilo nič energije, bi tak material vsekakor pomenil revolucijo pri prenosu energije na daljavo, transportu, medicinski diagnostiki in tako naprej. Prav zato je odkritje takega materiala tako pomembno. "Za nami je zelo zanimivo leto, ki ga je narekoval covid-19, zato je to odkritje morda še bolj pomenljivo, saj predstavlja nekakšno luč v temi. To je zame osebno še toliko bolj osrečujoče."

Če začneva pri aplikacijah samih – kako bi odkritje superprevodnikov pri normalni temperaturi in tlaku spremenilo svet? Lahko o realnem odkritju takšnih superprevodnikov govorimo še kot o možnosti, ki bi se zgodila v času našega življenja?
Absolutno, zelo blizu smo temu, da odkrijemo superprevodnike, ki bi se obnesli tako pri sobni temperaturi kot sobnem tlaku. In če bi jih začeli množično proizvajati, lahko govorimo o treh glavnih načinih uporabe. Prva je uporaba v medicinski diagnostiki. Superprevodnike že uporabljamo pri metodi magnetne resonance, a ta hip za njihovo delovanje potrebujemo naprave za močno hlajenje, gre za področje, ki ga pokriva tako imenovana kriogenika. Če bi dobili superprevodne materiale pri sobni temperaturi in tlaku, bi odpadel strošek za hlajenje, to pa bi občutno pocenilo ceno naprav. Druga večja aplikacija je transport, ena od danosti, ki jih omogočajo superprevodniki, je namreč magnetna levitacija oziroma lebdenje. To pomeni, da bi lahko končno govorili o dejanski uporabi vlakov na magnetno levitacijo; torej vlakov, ki nimajo trenja, ker se ne stikajo s površino in lahko na tak način dosegajo rekordne hitrosti. To bi drastično spremenilo način transporta v prihodnosti. Če ste med oboževalci filma Nazaj v prihodnost, potem poznate koncept hoverboardov, torej lebdečih rolk, ki bi se morda lahko uresničil. Tretja pomembna uporaba pa je na področju prenosa električne energije na daljavo. Kot vemo, se električna energija prenaša po žicah s točke A na točko B, a se je zaradi električnega upora pri tem veliko izgubi. Predstavljajte si, da bi lahko izdelali žice, ki ne bi imele upora. S prenosom energije po njih bi prihranili ogromno, tako s stališča energije kot denarja. Superprevodniki bi lahko tako pomenili pomemben dejavnik za razvoj električnega omrežja prihodnosti. Prav tako bi lahko igrali pomembno vlogo tudi v računalništvu prihodnosti, potrošni elektroniki, mobitelih; vsekakor bodo pomenili dramatičen preobrat, ko enkrat najdemo primeren material, ki bo kot superprevodnik deloval tako pri sobnem tlaku kot temperaturi.

Kako to, da ste pri iskanju superprevodnega stanja materiala izbrali prav tovrstne elemente, da ste torej vodik uporabili v kombinaciji z ogljikom in žveplom?
Glavna motivacija oziroma ogrodje je kovinski vodik. Med raziskovalci na tem področju že dalj časa obstaja hipoteza, da je kovinski vodik superprevoden. K temu napeljujejo tako nizka masa atoma vodika kot močne vezi med njimi v kovinskem vodiku. Vodik je torej z leti postal zelo pomemben kandidat, a težava pri tem je, da potrebuje ogromen tlak, kar otežuje laboratorijsko delo. Pri raziskavi smo se tako začeli spraševati, kako lahko takšne lastnosti kovinskega vodika poustvarimo pri veliko nižjem tlaku, tlaku, ki bi ga lahko še ustvarili v znanstvenem laboratoriju. Tako smo si zamislili, da k vodiku dodamo še kakšen element in tako atome stisnemo ne le mehansko, ampak tudi kemično. To si lahko čisto preprosto predstavljamo takole: Recimo da ste v sobi in želite skrčiti prostor, ki ga imate na voljo. En način je, da stene pomaknete bliže druga drugi, drug pa, da v prostor nagnetete še več, po možnosti obilnejših ljudi. Učinek visokega tlaka na delce lahko torej dosežete ne le na fizikalen način, torej s stiskanjem, ampak tudi kemično, z dodajanjem novih elementov v zmes. Prav zato smo se odločili, da vodiku dodamo žveplo in ogljik, saj tvorita močne vezi in kemično stisneta vodik v stanje, kjer bi lahko pričakovali superprevodnost pri sobni temperaturi. To je na kratko ideja v ozadju.

Material, ki ste ga dobili, je torej superprevoden pri visokem tlaku. Kaj v tem primeru pomeni pridevnik 'visok' in kako takšne tlake dosežete?
Govorimo o tlaku 2,6 milijona atmosfer oziroma 266 gigapaskalov, gre za velikanski tlak, ki je po velikosti blizu tistemu v središču našega planeta in znaša 3,6 milijona atmosfer. To je ogromno. Kako smo dosegli tolikšen tlak? Obstajata dva načina. Prvemu pravimo statična kompresija, pri čemer uporabljamo celico z diamantnim nakovalom. Imamo torej dva diamanta, med katera vtaknemo naš material, in potem mehanično povečujemo silo na oba diamanta. Ker sta diamanta prozorna, lahko ob tem opazujemo, kaj se dogaja v notranjosti našega vzorca, ali potekajo kakšne pretvorbe ali spremembe. Odvisno od izvedbe lahko dosežemo tlak do 500 gigapaskalov oziroma 5 milijonov atmosfer. Glede na posamičen eksperiment lahko izberemo različno velikost in obliko diamantov in se odločamo, kako ga izvesti. Na tak način tako običajno dosegamo takšne visoke tlake. Drug način predstavlja uporaba udarnega vala, ki pa traja zelo kratek čas, samo nekaj mikrosekund ali femtosekund, kar lahko predstavlja težavo zlasti pri opazovanju stanja našega materiala. Z udarnim valom lahko ustvarimo visoke tlake nad 500 gigapaskalov in se tako že približamo enemu terapaskalu oziroma milijardi atmosfer. Pri uporabi diamantov smo s tlakom sicer omejeni, a je naš vzorec zelo majhen, nekaj mikrometrov v premeru. V primerjavi z udarnim valom lahko pri tem tlak vzdržujemo dlje in tako lažje proučujemo vzorec. To sta torej ta dva načina: diamantno nakovalo in pa udarni val.

In na kakšen način nato preverjate superprevodnost?
Superprevodniki imajo dve temeljni lastnosti – ena je odsotnost električnega upora, druga pa, da če vzorce postavimo v magnetno polje, to ne pronica skoznje, ampak jih obide. Poskusa smo se lotili tako, da smo na vzorec priključili štiri električne sonde. Skozi dve smo poslali električni tok in na drugih dveh preverjali napetost, s čimer smo merili električni upor. Nato smo spremljali, kako se spreminja s temperaturo. Ko se temperatura znižuje, se upor zmanjšuje, kar je značilnost kovin. Pri določeni temperaturi, ki jo imenujemo kritična temperatura, se vrednost upora drastično zniža in pade na ničlo, kar tipično nakazuje na to, da smo dosegli supreprevodno stanje. To je en način.
Drugi način je z magnetnim poljem. Ker superprevodniki izrivajo zunanje magnetno polje, lahko to merimo, to količino pa imenujemo magnetna susceptibilnost. Superprevodniki se namreč vedejo kot diamagnetne snovi. Merimo torej to lastnost, in ko opazimo veliko spremembo magnetne susceptibilnosti, je to še en dokaz, da je material postal superprevoden. Magnetna susceptibilnost nam namreč pove, koliko magnetnega polja nastane v predmetu, če ga postavimo v magnetno polje. V paramagnetnih snoveh ga je več kot zunaj, v diamagnetnih pa manj. Superprevodniki so idealni diamagnetiki oziroma tako imenovane superdiamagnetne snovi in imajo magnetno susceptibilnost minus ena, ker v njihovi notranjosti ni popolnoma nobenega magnetnega polja.
Pri še tretji metodi pa izkoriščamo dejstvo, da je magnetizem sovražnik superprevodnosti. Ne marata se. Če material izpostavite dovolj močnemu magnetnemu polju, lahko uničite superprevodni prehod. V laboratoriju smo vzpostavili močno magnetno polje in merili električni upor, s čimer smo spremljali kritično temperaturo za pojav superprevodnosti. Opazili smo, da se kritična temperatura zniža, ko vključimo magnetno polje, kar je jasen dokaz za superprevodni prehod. To so glavne tri tehnike, s katerimi smo dokazali, da je naš material superprevoden.

V članku ste napisali, da točna struktura materiala še vedno ni znana. Imate torej superprevodnik, ki je obstojen pri 14 stopinjah Celzija, a nihče ne ve, kako je videti tak material?
Točno. Še vedno ne vemo, kakšen je. Imamo nekaj predvidevanj, a še vedno ne poznamo njegove natančne kemične zgradbe ali strukture. Zelo dobro poznamo izvorni vzorec, preden smo ga izpostavili visokemu tlaku, o samih strukturnih lastnostih superprevodnika, ki ga smo iz tega dobili, pa vemo zelo malo. A na tem trenutno aktivno delamo. Težava je v tem, da standardne tehnike, kot je rentgenska difrakcija, ne delujejo pri materialih, kakršen je ta, saj gre za tako imenovani material low SEE (secondary electron emission), ki ima atome z malo elektroni in je slabo aktiven pri rentgenski difrakciji. Vodik ima le en elektron, je najlažji element. Pri rentgenski difrakciji je jakost signala sorazmerna s številom elektronov. Vodika torej ne vidite zares, torej ne morete določiti strukture. Podobno velja za ogljik in žveplo. Žveplo se malce vidi, ogljik pa je spet lahek element in pri rentgenskih difrakciji ne daje uporabnih rezultatov, iz katerih bi lahko sklepali o strukturi. To nas je oviralo pri določitvi strukture.
Po drugi strani govorimo tudi o velikanskem tlaku, velikost vzorca pa je zelo majhna in tudi to zelo otežuje karakterizacijo materiala. Naš vzorec je monokristal, en sam kristal, zaradi česar je rentgensko difrakcijo še teže izvesti. Kolikor vem, ni še nihče določil strukture monokristala pod visokim tlakom z rentgensko difrakcijo. Sami zato razvijamo nove tehnike, saj je poznavanje strukture novega materiala in mehanizma za njo zelo pomembno. Tako bi namreč lahko bolje razumeli naš material, prav to pa bi nam tudi omogočilo, da v prihodnje najdemo nove potencialne superprevodnike, ki bi delovali pri sobnem tlaku.

Torej je že mogoče govoriti, da bi lahko v prihodnje iz takšnih materialov zasnovali tudi take, ki bi delovali pod sobnimi pogoji, ali je vaš trenutni dosežek predvsem akademski?
Mislim, da ima to odkritje možnosti za nadaljnje izboljšave. Uporabili smo razmerje 1 : 1 med ogljikom in žveplom. Kemično zgradbo lahko spreminjamo in prilagajamo, morda dodamo silicij. Morda lahko ogljik nadomestimo s selenom. Zamenjave atomov bi morda omogočile, da znižamo tlak in ohranimo superprevodnost. Žveplo daje trdno tridimenzionalno strukturo, ogljik pa smo uporabili, da stabiliziramo strukturo pri nižjih tlakih, čeprav nastane pri visokih. Predstavljajte si diamante. Pri sobnih pogojih je najstabilnejša oblika ogljika grafit. Če pa tlak povečate, se spremeni v diamant. Ko tlak znižate, se diamant ne spremeni nazaj v grafit, ampak ostane kot diamant. Pri nas gre za nekaj podobnega. Ker smo v naš vzorec dodali ogljik, bi lahko znižali tlak, morda s čistim vzorcem ne povsem do sobnega, bi pa to šlo ob prilagoditvi kemične zgradbe. V tej smeri delujemo zdaj.