Przyszłość nadprzewodników jest wielką zagadką – mówi ekspert PAN

Profesor Martinek jest kierownikiem Zakładu Nadprzewodnictwa i Przemian Fazowych w Instytucie Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu. Jego badania dotyczą nadprzewodnictwa, w tym nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.

Niedawno w mediach pojawiła się informacja o koreańskich naukowcach, którzy rzekomo opracowali nadprzewodnik pracujący w temperaturze przekraczającej 100 stopni C. Według Martinka może to zwiastować rewolucję, ponieważ obecne nadprzewodniki pracują w temperaturze bliskiej zera absolutnego.

„Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej i wyższej mogą rzeczywiście zrewolucjonizować świat. Teoretycznie moglibyśmy przesyłać energię elektryczną na duże odległości bez strat. Moglibyśmy na przykład zbudować elektrownię słoneczną na Saharze i przesyłać energię elektryczną do Europy. Moglibyśmy zbudować bardziej ekonomiczne urządzenia elektroniczne lub mocne elektromagnesy, które są potrzebne w różnych dziedzinach” – mówi.

Dodaje jednak, że nadzieje mogą być przedwczesne.

Temperatura to nie wszystko. Ważne jest, aby nadprzewodnik mógł przesyłać wystarczająco duży prąd. Musi mieć także właściwości, które można wykorzystać do produkcji przędzy i innych komponentów. Tak działają nadprzewodniki odkryte ponad 100 lat temu. Wymagają chłodzenia drogim ciekłym helem do temperatury nieco powyżej zera absolutnego (około minus 270 stopni C), ale pracują przy dużych prądach i są stopami metali, które można łatwo formować. Można je spotkać na przykład w elektromagnesach pracujących w urządzeniach do rezonansu magnetycznego. Nadprzewodniki te mogą również stanowić podstawę niektórych komputerów kwantowych, które są obecnie w budowie.”

Choć nadprzewodniki pracujące w znacznie wyższej temperaturze (minus 183 stopnie C) odkryto w latach 80. XX wieku, nie znalazły one powszechnego zastosowania. Dzieje się tak dlatego, że są wykonane z materiałów ceramicznych, które są trudne w obróbce. Podejmowane są próby przesyłania za ich pomocą energii.

„Samo odkrycie nadprzewodnika wysokotemperaturowego nie oznacza sukcesu, a zapowiadany przez koreański zespół materiał bardziej przypomina ceramikę niż metal” – mówi Martinek.

Dodaje, że logika podpowiada, że ​​do ostatnich sensacyjnych doniesień należy podchodzić z ostrożnością.

„Koreańscy badacze twierdzą, że odkryli materiał należący do zupełnie nowej rodziny nadprzewodników. Jednocześnie wiele zależy od precyzyjnie dobranych proporcji dużej liczby składników. Po pierwsze, jest mało prawdopodobne, aby od razu znaleźć najlepszy materiał z całej dość dużej rodziny. Po drugie, istnieje bardzo małe prawdopodobieństwo, że przy zapowiadanych parametrach naukowcy znaleźli w swojej rodzinie materiał przeciętny, a na odkrycie czekają jeszcze lepsze.

Dodaje, że często te sondaże wydają się być odwrotne.

„Najpierw, gdy znajduje się nową rodzinę nadprzewodników, odkrywa się materiał o złych właściwościach, a następnie, po wielu próbach, znajduje się inne, coraz lepsze. I tu mamy natychmiastowy sukces. Wydaje się to mało prawdopodobne. Myślę, że możemy wykluczyć także scenariusz, że koreańscy eksperci od wielu lat badają nową rodzinę materiałów. Konkurencja na tym polu jest duża i nikt nie czeka z ogłoszeniem takich odkryć, bo ludzie słusznie boją się, że ktoś ich pobije w całej okazałości. Ta grupa badawcza również nie jest szczególnie znana.

Tak naprawdę dyskusję należy rozpocząć, gdy inne zespoły spróbują powtórzyć opisany wynik. Na razie zajmujemy się ciekawostką.

Tymczasem – wyjaśnia – poszukiwanie nowych nadprzewodników jest zadaniem niezwykle trudnym. Pomimo 100 lat badań wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi.

„Badania można prowadzić zasadniczo na dwa sposoby. Jedna to metody obliczeniowe, druga to eksperymenty. Jednak bardzo dobrze rozumiemy tylko klasyczne nadprzewodniki odkryte sto lat temu. Nie do końca rozumiemy, jak działają te odkryte w latach 80. XX wieku. Trudno więc przewidzieć, jakie substancje należy stosować i w jakich układach. To trochę jak przebywanie w dużym, ciemnym pokoju z zapałką w dłoni i szukanie czegoś w niemal ciemności. Czasem jednak pojawiają się nowe pomysły.

„Od czasu do czasu czytamy o nowym typie nadprzewodnika. Tak było na przykład w przypadku wodorków (związków chemicznych wodoru z innymi pierwiastkami) w stanie stałym, których utrzymanie wymaga jednak ogromnych ciśnień”.

Jeśli chodzi o rewolucyjne nadprzewodniki, które będą pracować w temperaturze pokojowej, to zdaniem profesora Martinka nie wiadomo nawet, czy uda się je uzyskać.

To złożony problem. O ile rozumiemy nadprzewodnictwo, natura nie stawia żadnych konkretnych barier, jeśli chodzi o temperaturę. W nadprzewodnikach, najprościej mówiąc, elektrony łączą się w pary i tak właśnie działają te materiały. Wzrost temperatury rozbija te pary. Pytanie brzmi, czy uda się znaleźć materiały, w których pary elektronów są na tyle mocne, że nie rozpadają się w wyższych temperaturach” – mówi.

Kolejną kwestią – dodaje naukowiec – jest natężenie prądu. Im wyższa temperatura, tym słabszy prąd może przewodzić nadprzewodnik. Wciąż odkrywamy nowe rodziny nadprzewodników, jednak znalezienie takich, które pracują w temperaturze pokojowej i przy odpowiednio wysokim natężeniu prądu, jest niezwykle trudnym wyzwaniem. Dlatego trudno cokolwiek przewidzieć.

„Być może uda nam się znaleźć ten materiał za 10 lat, może za 50, może za 100. Możemy też nigdy go nie znaleźć” – podsumowuje.

PAP – Nauka w Polsce, Marek Matacz

mat/ agt/ kap/

tr. RL