„Pátrání po supravodivých materiálech s vysokou kritickou teplotou je jednou ze vzrušujících výzev v oblasti fyziky a materiálového výzkumu. Ačkoli supravodivost byla objevena před více než 100 lety (1911), jsou oxidy mědi doposud jedinými materiály s kritickou teplotou nad 77 K, což je teplota varu kapalného dusíku,“ dočteme se v úvodu článku čínských fyziků, kteří zjistili, že když vytvoří ultratenkou vrstvičku selenidu železnatého FeSe na podkladu z titanátu stroncia SrTiO₃, první náznaky kritické teploty, při níž se supravodivé vlastnosti objevují, registrují při teplotě okolo 50 K, tedy -223 °C. Je to sice nepředstavitelný chlad, přesto jde o takzvanou vysokoteplotní supravodivost, která byla objevena před čtvrtstoletím. Dolním limitem pro zařazení do kategorie vysokoteplotních supravodičů je kritická teplota 30 K a toto kritérium splňují například některé speciální sloučeny odvozené od oxidů mědi. Tou nejznámější je asi sloučenina YBa₂Cu₃O₇ s kritickou teplotou 92 K nebo kompozit se sumárním vzorcem HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+δ, jehož kritická teplota má rekordních 138 K, za vysokého tlaku dokonce 153 K, případně až 166 K.

Zvětšit obrázek

Materiály, které vědci chtějí zkoumat za extrémního tlaku, vkládají do speciálního „lisu“ mezi dva diamanty. Kredit: Wikipedia

Proti těmto hodnotám se na začátku zmíněná nejistá padesátikelvinová kritická teplota selenidu železnatého jeví jako nezajímavý objev z minulého století. Novinkou v tomto případě však není teplotní rekord, ale přítomnost železa v sloučenině se selenem. Chalkogeny železa a dalšího prvku, například draslíku, rubidia nebo cesia, jejichž složení lze zapsat chemickým vzorcem A_1-xFe_2-ySe₂, jsou jednou z nejmladších skupin vysokoteplotních supravodičů, intenzivně studovaných zejména čínskými vědci. Důkazem je i článek, který minulý týden zveřejnil časopis Nature. Autoři, fyzikové z Čínské akademie věd, dvou čínských universit a čínští vědci pracující ve významných amerických institucích, v Carnegieho ústavu ve Washingtonu a americkém Národním institutu standardů a technologie NIST, mu dali název Znovuobjevení supravodivosti při 48 kelvinech u chalkogenů železa.

Co se pod téměř mystickým slovem „znovuobjevení" ukrývá? Zajímavý jev, jehož odhalení zajistilo autorům publikaci v prestižním vědeckém časopisu. Fyzikové malé krystaly selenidů, v struktuře kterých byla část atomů železa nahrazena jiným kovem - thalliem, rubidiem nebo draslíkem (T_l0.6Rb_0.4Fe_1.67Se₂, K_0.8Fe_1.7Se₂ a K_0.8Fe_1.78Se₂) vystavili zvyšujícímu se tlaku. Aby mohli sáhnout do oblasti extrémních hodnot, drobné krystalky o rozměrech asi 100 krát 50 mikrometrů vkládali mezi dva speciálně vybroušené diamanty „mini-lisu“ (diamond-anvil cell – viz obrázek vpravo). Proč, to prozrazují slova prvního autora článku, Liling Sunga, z Ústavu fyziky Čínské akademie věd v Pekingu: "Tlak je způsob, jak naladit základní elektronickou a mřížkovou strukturu tím, že zmenšíme meziatomární vzdálenosti. To pak může vést k celé škále nových jevů.“

Myšlenka vyvinout na supravodič vysoký tlak není vůbec nová, již dávněji se prokázalo, že může ovlivnit hodnotu kritické teploty. V případě zkoumaných selenidů se událo ale něco neočekávaného. Za normálního tlaku je kritická teplota selenidů železa, nad kterou přestávají být supravodivé, okolo 30 K. Při 1,6 gigapascalech dosahuje maximum 33 K, pak ale se zvyšujícím se tlakem klesá. Při 9 GPa se vytrácí zcela, aby se ale najednou skokem objevila znovu při tlaku 11,5 gigapascalů, což je 11 miliard 500 milionů pascalů (113 500 krát více, než je průměrný tlak zemské atmosféry na hladinu moře). Za těchto extrémních podmínek dokonce i kritická teplota chalkogenů železa dosahuje rekordní hodnotu: 48 K, tedy – 225 °C (při 12,4 GPa). To však platí jenom do tlaku 13,2 gigapascalů, kdy elektrický odpor opět skokem naroste, čili supravodivost opět mizí. Tentokráte se kritická teplota nesnižuje postupně, ale doslova padne k nule. Fyzikové tento udivující výsledek prověřili třemi nezávislými pokusy.

Zvětšit obrázek

Kritická teplota, při níž selenidy železa ztrácejí supravodivé vlastnosti je nejvyšší při tlaku okolo 1,6 GPa. Pak postupně klesá k nule při 9 GPa. Když ale tlak stoupne na hodnotu 11,5 GPa, supravodivost se znovu objeví, dokonce s vyšší kritickou teplotou. Jenže stačí další nárůst o 1,7 GPa a jak se záhadně náhle „znovuobjevila“, tak i „znovumizí“. Kredit: Jiling Sun, Chinese Academy of Sciences

Pokles kritické (hraniční) teploty supravodivosti mezi hodnotami tlaku 1,6 až 9 gigapascalů (oblast SC-I na obrázku vlevo) vědci očekávali, protože podle předpokladů tlak narušuje vnitřní uspořádání mezer (vacancy ordering) v krystalové mřížce, a to vede k nárůstu odporu. Oblast SC-II  je ale překvapením. Autoři v závěru článku píší: „Pozorování oblasti SC-II související se znovuobjevením se supravodivosti s vyšší kritickou teplotou u chalkogenů železa je neočekávané. Nepochybně bude stimulem pro mnoho experimentálních i teoretických studií vysvětlujících, jestli tento jev souvisí s kvantovým fázovým přechodem, magnetizmem, superstrukturou (ve fyzice pevných látek další vnitřní struktura, která je superponována na strukturu krystalové mřížky), uspořádáním mezer nebo fluktuací spinů.“

I když teplota 48 K pro vysokoteplotní supravodivost není žádnou velkou výhrou, v tomto případě jde o objev jevu, který je výzvou pro hledání mechanismů, jež ho způsobují. Pro „železné“ supravodiče hodnota 48 K není dokonce ani rekordní. U struktur se střídajícími se monomolekulárními vrstvami arsenidu FeAs a oxidu některého z lanthanoidů (lanthan, cer, praseodym, neodym, promethium či samarium) byla naměřena podobná kritická teplota, u kompozitu SmFeAsO_1-δ dosáhla hodnotu 55 K. Jenže žádný z těchto materiálů na bázi železa nelze použít pro školní demonstrace supravodivosti, protože se nedá chladit dusíkem s teplotou varu 77 K. Udržovat tak nízké teploty si vyžaduje tekuté helium, a to je drahé. Proč tedy vědci, a nelze si nevšimnout, že zejména čínští, "železné" supravodiče tak usilovně zkoumají, když jsou k dispozici "měděné" materiály s mnohem vyšší kritickou teplotou i při běžném tlaku?

Těch odpovědí na tuto otázku bude asi více. Objevení vysokoteplotní supravodivosti u sloučenin železa v roce 2008 přineslo překvapení. Tuto fascinující vlastnost, která umožňuje bez odporu vést elektrický proud, jenž by uzavřenou smyčkou ideálního supravodiče protékal navěky, lze narušit nejen zvýšenou teplotou, ale i silnějším vnějším magnetickým polem. Měď, která se nachází ve struktuře známých vysokoteplotních supravodičů, je slabě diamagnetická, železo ale patří mezi feromagnetické materiály a samotný atom vykazuje poměrně vysoký magnetický moment. Proto je supravodivost, která má v pozadí tuto vlastnost vázanou na vnitřní strukturu, pro fyziku zajímavá.

Ještě jeden poznatek ale zmíněné studie supravodivosti nabízejí. Týká se dalšího vývoje a rozložení ekonomických sil ve světě a strategie politiky v oblasti vědy a techniky. Nejen ve výzkumu supravodičů, ale i v jiných směrech materiálového výzkumu nebo v dalších „praktických“ oborech, které si vyžadují systematickou mravenčí, často dlouhodobou laboratorní přípravu a měření, se stále častěji potkáváme s pro nás tak exoticky znějícími asijskými jmény. Čína má bohaté zásoby surovin, je s přehledem největším vývozcem kovů vzácných zemin, které jsou nevyhnutné k výrobě moderních elektronických přístrojů i solárních panelů. Vývoz těchto strategických surovin ale výrazně omezuje a logicky se na světových trzích snaží o prodej již hotových výrobků. Stále sofistikovanějších, u nichž lze očekávat i rostoucí kvalitu. Ekonomika této obrovské země prudce narůstá, pracovní síla je levná a žel zatím snese i velkou míru „vykořisťování“. Vždyť nakonec to využívají i evropští (nejen) velkopodnikatelé. Číňané rychle získávají know-how, navíc mají v zahraničí, zejména v USA, mnoho kvalitních a pracovitých vědců, kterých návrat nebude v mnohých případech problém doslova koupit...  V budoucnu tak může mít dobrý vědec větší cenu, než prvoligový fotbalový hráč. Minimálně v oborech, které pomáhají získávat body v technologickém souboji.

Video z dílny BBC: Krátká lekce angličtiny s bonusem v podobě zajímavého vysvětlení supravodivosti a magnetické levitace. Supravodič se chová jako silné diamagnetikum - v přítomnosti vnějšího magnetického pole (například permanentního magnetu) se v něm generují elektrické proudy, jež vytváří pole opačné polarity a proto se s tím vnějším intenzivně odpuzují. To pak umožňuje magnetu se nad podchlazeným supravodičem volně vznášet (nebo naopak - supravodiči nad magnetem). Ten černý, zdánlivě nezajímavý váleček, na kterém Jim Al-Khalili demonstruje magnetickou levitaci, je z oxidu ytria, barya a mědi, jehož sumární chemický vzorec je YBa₂Cu₃O₇. Známější je ale pod technickým označením YBCO a díky jeho vysoké kritické teplotě (92 K) ho lze chladit kapalním dusíkem a používat na podobné „předváděčky“ jedné z fascinujících vlastností supravodičů.  

Zdroje: Nature News , Nature