Zvětšit obrázek

Nanoproužky elektronů a děr supravodiče z oxidu měďnatého pod řádkovacím tunelovým mikroskopem. Kredit: Davis Research Group.

Supravodiče, které fungují za vyšších teplot, se chovají podivně a to podivně velice rozmanitým způsobem. Včetně takových výstředností, jako že se elektrony v supravodiči vykašlou na symetrické uspořádání kolem atomů a namísto toho vytvoří elegantní proužky. Doteď v tom byl tvůrčí zmatek. Teď se zdá, že by se mohla ujmout vlády nová teorie, která zastřeší nejen libůstky supravodičů při vyšších teplotách, ale vůbec supravodivost jako takovou.

Zvětšit obrázek

J.C. Seamus Davis. Kredit: Cornell University.

Nástin takové teorie nedávno představili J.C. Seamus Davis z Cornellovy univerzity a Brookhavenské národní laboratoře a Dung-Hai Lee z Kalifornské univerzity v Berkeley a Lawrenceovy národní laboratoře v Berkeley. Podle nich lze podivnosti supravodičů vystopovat do jednoho počátečního bodu a také vysvětlit, proč z něj vychází tak rozmanité chování.

Dung-Hai Lee.
Kredit: UC Berkeley.

Supravodivost, při které prochází elektrický proud s nulovým odporem, byla objevena u kovů zmražených takřka na absolutní nulu. Postupně se ukázalo, že takový mráz není pro supravodivost nezbytnou podmínkou. Například, nedávno vytvořené komplexní krystaly mědi, železa i dalších kovů, kombinovaných se stopovými prvky, jsou supravodivé při teplotách kolem 150 kelvinů. Davis během posledního desetiletí pozoroval supravodivé materiály řádkovacím tunelovým mikroskopem, přičemž mohl sledovat oblasti menší, než je rozloha jednotlivých atomů, a měřit na nich energii elektronů. V jeho pozorování se vyskytovaly zvláštní propletené motivy, především při supravodivost za vyšších teplot.

Původcem supravodivosti jsou podle všeho takzvané Cooperovy páry elektronů, kvantový jev, při němž jsou elektrony v kovech za určitých podmínek slabě svázány elektron-fononovou interakcí, čili prostřednictvím kmitů krystalové mřížky. Davis ve spolupráci s Leem nakonec dospěl k názoru, že magneticky neutrální Cooperovy páry jsou vlastně univerzální příčinou nejen supravodivosti, ale veškerého podivného chování supravodivých materiálů při vyšších teplotách. Jejich „sjednocená“ teorie supravodivosti prý úspěšně předpovídá fenomény pozorované v materiálech založených například na mědi anebo na železu.

Zvětšit obrázek

Cooperův pár elektronů. Kredit: HyperPhysics/ Georgia State University.

Pokud jsou ale příčinou podivností při supravodivosti za vyšších teplot vždy Cooperovy páry, proč se pozorovaná chování v jednotlivých případech tak liší? Podle Davise a Leeho to tkví v proměnlivé energetické úrovni elektronů, které jsou k dispozici, aby tvořily elektrický proud. Formálně to pak popisuje takzvaný Fermiho povrch. To, jakým způsobem se uspořádají elektrony, jestli do Cooperových párů anebo jinak, pak záleží na konkrétním tvaru Fermiho povrchu. Teploty příznivé pro nás, křehké organismy, obvykle rozkmitají atomy supravodiče a Cooperovy páry se pak roztrhají. Vědci se proto snaží vytvořit takový materiál, v němž by Cooperovy páry byly natolik trvanlivé, že by supravodivost mohla fungovat i při pokojové teplotě. Podle Leeho by bylo ideální, kdyby bylo možné prostě nadiktovat seznam prvků, jejichž smíchání v určitém poměru by vytvořilo kýžený supravodivý ultramateriál. Jenže to zatím nejde.

Jestli se Davisův a Leeův pohled na supravodivost prosadí, mohlo by nás to významně posunout k novým typům supravodičů, fungujícím při pokojové teplotě. To by znamenalo revoluci v zacházení s elektrickou energií, účinnější motory a generátory a také mnohem efektivnější, snad až bezztrátový přenos elektřiny. Uvidíme.

Literatura

Cornell University News 5. 12. 2013, PNAS online 10. 10. 2013, Wikipedia (Cooper pair, Fermi surface).