News, o którym jest ten artykuł, jeśli się potwierdzi, będzie wiadomością na miarę opracowania tranzystora, a może nawet ujarzmienia energii elektrycznej. Jeśli koreański zespół naukowców ma rację i z jakiegoś mrocznego powodu nie wkręca nas wszystkich, to już niedługo technologia, która nas otacza może wykonać skok w nadświetlną. Panie i Panowie, prawdopodobnie po raz pierwszy w historii udało się stworzyć nadprzewodnik, który działa w temperaturze pokojowej i przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Ale co to właściwie oznacza? 

Autorami pracy, którą trzymam właśnie w rękach jest trzech badaczy z Korei Południowej: Sukbae Lee, który był liderem zespołu, Ji-Hoon Kim odpowiedzialny za syntezę substancji, z której zrobiony jest nadprzewodnik i odpowiedzialny za część eksperymentów mających potwierdzić, że faktycznie mamy do czynienia z nadprzewodnikiem – Young-Wan Kwon. Okazuje się, że najprawdopodobniej udało się stworzyć materiał, który ma pożądane własności i jednocześnie jest dość prosty do otrzymania. No bo nietrudno wyobrazić sobie sytuację, w której stworzyliśmy działający w normalnych warunkach nadprzewodnik, ale koszt jego wytworzenia jest tak horrendalny, że żadna nowa technologia dzięki niemu nie powstanie, bo zwyczajnie nie będzie się to opłacało. A tu możemy na ciastko popatrzeć, zjeść je, dalej mieć, oddać komuś i dalej mieć. Superciastko.

Zanim przejdziemy do szczegółów tego odkrycia należałoby wyjaśnić w ogóle czym są nadprzewodniki i do czego się je wykorzystuje.

Przewodnik to materiał, który dobrze przewodzi prąd elektryczny. Przykładem mogą być metale, takie jak miedź czy aluminium, które są często używane do produkcji kabli elektrycznych. Przewodniki mają wolne elektrony, które mogą swobodnie przemieszczać się i przewodzić prąd. Ale ważne jest, że podczas tego przewodzenia prądu, te elektrony „zderzają się” z atomami w materiale, powodując opór i generując ciepło. To jest powód, dlaczego kable czy żarówki się nagrzewają, gdy przepływa przez nie prąd.

Nadprzewodnik z kolei, to specjalny rodzaj materiału, który również przewodzi prąd, ale robi to w zupełnie unikalny sposób. W nadprzewodnikach, kiedy schłodzimy je do bardzo niskich temperatur (bliskich absolutnemu zeru czyli okolice 0 Kelwinów), dzieje się coś niesamowitego: opór elektryczny spada do zera. To oznacza, że prąd elektryczny może przepływać przez nadprzewodnik bez żadnych strat energii na ciepło. To jest powód, dla którego nadprzewodniki są tak ekscytujące – pozwalają na super efektywne przewodzenie prądu. Ale to wymaga bardzo niskich temperatur, co jest dużym wyzwaniem.

Więc podstawowa różnica polega na tym, że przewodniki przewodzą prąd z pewnym oporem, który powoduje straty energii na ciepło, podczas gdy nadprzewodniki, kiedy są schłodzone do odpowiednio niskiej temperatury, przewodzą prąd bez żadnego oporu i bez strat energii. Niestety to schładzanie do tak niskich temperatur, najczęściej przy pomocy ciekłego helu, którego skroplenie i utrzymanie w takiej postaci jest niezwykle trudne i kosztowne, ograniczało używanie nadprzewodników w naszych technologiach. No i tu na scenę wkracza nasz bohater – poznajcie substancję LK-99.

Praca naukowa, którą tu omawiamy została opublikowana w katalogu Uniwersytetu Cornell zwanego Archiv, albo przez niektórych Arxiw. To katalog tak zwanych preprintów, prac które dopiero czekają na proces peer review, w którym to inni naukowcy sprawdzają sens tej pracy, a czasem próbują odtworzyć eksperyment. Dopiero powtarzalne wyniki eksperymentu mogą nam powiedzieć czy coś faktycznie ma miejsce, czy nie. Oczywiście do katalogu tego nie trafia byle co. Autorzy są weryfikowani i muszą wykazać się dorobkiem. Naukowcy odpowiedzialni za LK-99 taki dorobek mają. Więc zanim przejdziemy dalej musimy postawić tu wielkie, czerwone i pulsujące ALE.

Ale może okazać się, że z jakiegoś tylko im znanego powodu naukowcy sfingowali cały eksperyment i mamy do czynienia z jakiegoś rodzaju niewybrednym dowcipem.

Ale może okazać się, że jednak eksperymentu nie da się nigdzie powtórzyć, co będzie oznaczało, że wyniki eksperymentów były jakimś niedopatrzeniem ze strony koreańskiego zespołu. Mieliśmy w końcu podobną historię z włoskim zespołem, który rzekomo wykrył neutrina poruszające się szybciej od prędkości światła. Ostatecznie okazało się, że luźne kable powodowały desynchronizacje zegarów atomowych i zwyczajnie obliczenia były błędne.

Ciekawostką natomiast są dwie rzeczy. Po pierwsze zanim opublikowali pracę, naukowcy złożyli wniosek patentowy na produkcję tej substancji. Po drugie opublikowali film, na którym widzimy jak w warunkach pokojowych LK-99 działa dokładnie tak jak zachowałyby się schłodzone nadprzewodniki, a mianowicie wykazuje tak zwany efekt Meissnera.

Polega on na tym, że nadprzewodnik będący w stanie nadprzewodzenia i umieszczony nad magnesem niejako wypycha ze środka pole magnetyczne. Efektem tego jest lewitacja magnetyczna i coś co nazywamy kwantowym blokowaniem. Nadprzewodnik zawiśnie sobie w polu magnetycznym i będzie tak sobie lewitował bez żadnej dodatkowej siły, opierając się ziemskiej grawitacji . Jeśli jednak przyłożymy do niego jakąś siłę, np popchniemy taki nadprzewodnik to otrzymamy coś bardzo praktycznego. Tak zwany maglev, czyli superszybki pociąg magnetyczny, dokładnie taki jaki jeździ np w Japonii.  Oczywiście trzeba dodać tu więcej kroków jak na przykład budowa odpowiednich torów i samego pociągu, ale zasada działania jest dokładnie taka sama. Obecnie nadprzewodniki w takim pociągu muszą być chłodzone, co utrudnia jego eksploatację i mnoży koszta. Wyobraźmy sobie jednak, że LK-99 faktycznie działa. O ileż prostsze i tańsze byłoby oparcie transportu na takich rozwiązaniach? Ale nie wybiegajmy w przyszłość. O zastosowaniach jeszcze sobie porozmawiamy.

Na razie skupmy się na samej substancji. Wcześniejsze nadprzewodniki musiały mieć zapewnione skrajne warunki do bycia nadprzewodnikami. Albo ekstremalnie niskie temperatury – trudne do wykonania. Lub też ekstremalnie wysokie ciśnienia, dzięki czemu temperatura mogła być pokojowa ale co z tego, skoro takiego materiału nie dałoby się wygodnie zastosować w żadnej technologii. LK-99 wydaje się być wręcz prawdziwym świętym graalem. Nie dość, że nie potrzebuje niskich temperatur to dodatkowo zachowuje właściwości nadprzewodzące aż do temperatury 127 stopni Celsjusza. generalnie wszystkie stany krytyczne nadprzewodnika mają odpowiednie parametry.

Najnowsze filmy

A cóż to takiego te stany krytyczne? Nadprzewodniki cechuje kilka takich parametrów i są to:

Krytyczna temperatura (Tc): To temperatura, poniżej której materiał zaczyna działać jako nadprzewodnik. Wyobraź sobie, że masz tabliczkę czekolady. Kiedy jest gorąco, czekolada jest miękka i półpłynna. Jest w tym przypadku zwykłym przewodnikiem. Elektrony próbując płynąć po jej powierzchni grzęzną w niej i spowalniają, emitując dodatkowe ciepło. Ale kiedy schłodzisz czekoladę poniżej pewnej „krytycznej” temperatury, staje się twarda. A po takiej powierzchni można już podróżować bez przeszkód. Podobnie jest z nadprzewodnikami – muszą być schłodzone poniżej pewnej krytycznej temperatury, aby „stwardnieć” (oczywiście w cudzysłowie) i stać się nadprzewodnikami.

Kolejny parametr to Zerowa rezystywność: Rezystywność to miara tego, jak mocno materiał stawia opór przepływu prądu. Wyobraź sobie, że biegniesz po bieżni. Bieżnia jest gładka, więc możesz biec bez problemu – to jak nadprzewodnik z zerową rezystywnością. Ale jeśli ktoś nasypie piasek na bieżnię, stawiasz większy opór i bieganie staje się trudniejsze – to jak przewodnik z pewną rezystywnością. Czyli widać tu jak pięknie ten parametr łączy się nam z naszą czekoladą.

Krytyczny prąd (Ic): To maksymalna ilość prądu, jaki możemy przepuścić przez nadprzewodnik, zanim przestanie być nadprzewodnikiem. Wyobraź sobie, że nosisz plecak. Możesz włożyć trochę książek do plecaka i nadal swobodnie chodzić – to jak przepływ prądu poniżej wartości krytycznej. Ale jeśli dodasz zbyt wiele książek, plecak staje się zbyt ciężki i nie możesz już chodzić – to jak przekroczenie krytycznego prądu w nadprzewodniku. A skoro już o prądzie to i o polu magnetycznym.

Krytyczne pole magnetyczne (Hc): To maksymalne pole magnetyczne, które nadprzewodnik może wytrzymać, zanim przestanie być nadprzewodnikiem. Prosta sprawa. A o efekcie Meissnera, wspominany już wcześniej.

W jaki właściwie sposób działać ma ten nowy materiał, który BYĆ MOŻE, jest nadprzewodnikiem działającym w warunkach temperatury pokojowej i normalnego ciśnienia? 

Według autorów, nadprzewodnictwo LK-99 pochodzi z drobnych zniekształceń strukturalnych spowodowanych niewielkim skurczem objętości, a nie z zewnętrznych czynników takich jak temperatura i ciśnienie.

Drobne zniekształcenia strukturalne, o których mówi artykuł, odnoszą się do zmian w strukturze krystalicznej materiału LK-99, które są wywoływane przez zastąpienie jonów Pb2+ jonami Cu2+ w sieci fosforanu ołowiu. To zastąpienie powoduje niewielki skurcz objętości materiału o 0,48%.

Wyobraź sobie, że budujesz wieżę z klocków LEGO. Każdy klocek reprezentuje atom w naszym materiale. Gdy wymieniasz jeden klocek na nieco mniejszy, cała struktura wieży się nieco zmienia – jest to drobne zniekształcenie strukturalne. W przypadku LK-99, zamieniają pewne atomy na inne, co powoduje zmiany w całej strukturze.

Mechanizm, o którym mówią autorzy, polega na tym, że skurcz objętości generuje napięcie w strukturze krystalicznej materiału. To napięcie jest następnie przenoszone na Pb(1) w kolumnach cylindrycznych, powodując zniekształcenie interfejsu cylindrycznej kolumny. Zniekształcenie to prowadzi do powstania „super przewodzących studni kwantowych” (SQWs) w interfejsach.

Super Przewodzące studnie kwantowe (SQWs) to obszary, w których elektrony mogą poruszać się bez oporu, co jest kluczową cechą nadprzewodnictwa. SQWs to trochę jak małe tunele lub ścieżki w twojej wieży klocków, które pozwalają ci na łatwe przesuwanie małych cząstek (które reprezentują elektrony) bez żadnych przeszkód. W przypadku LK-99, zniekształcenia w strukturze tworzą te SQWs, które umożliwiają elektronom swobodne przemieszczanie się bez oporu.nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej i przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym.

W kontekście materiałów krystalicznych, termin „kolumny cylindryczne” odnosi się do układów atomów lub jonów, które są uporządkowane w kształcie cylindra. W przypadku LK-99, autorzy mówią o „kolumnach cylindrycznych” w kontekście struktury krystalicznej tego materiału. Można sobie to wyobrazić jak budynki w mieście, gdzie każdy budynek to kolumna cylindryczna, a każde piętro to warstwa atomów lub jonów.

W kontekście materiałów, interfejsy to granice między dwoma różnymi rodzajami materiałów lub dwoma różnymi obszarami w tym samym materiale. Można to porównać do granicy między dwoma krajami lub między dwoma różnymi rodzajami terenu, takimi jak las i łąka. W przypadku LK-99, interfejsy to miejsca, gdzie zniekształcenia strukturalne powodują powstanie SQWs.

Interfejsy w kontekście tego materiału są prawdopodobnie obszarami, gdzie występują zniekształcenia strukturalne prowadzące do powstania superprzewodzących studni kwantowych (SQWs). Jeżeli SQWs powstają na skutek zniekształceń na granicach kolumn cylindrycznych, jak sugerują autorzy, to tak, te interfejsy mogą być właśnie granicami między kolumnami cylindrycznymi a SQWs.

W tym kontekście, interfejsy nie są tylko granicami pomiędzy różnymi obszarami, ale są również miejscami, gdzie zachodzą kluczowe procesy, takie jak powstawanie SQWs, które umożliwiają nadprzewodnictwo. Przez to, interfejsy mają bardzo duże znaczenie dla właściwości nadprzewodzących tego materiału.

Nie jest to może super proste, ale zasada działania wydaje się dość ciekawa, a co więcej opracowanie i wytwarzanie LK-99 według jego twórców, nie jest procesem nazbyt skomplikowanym, a wręcz relatywnie tanim. 

Ale zakładając, że to wszystko prawda, że nie ma pomyłki i że za chwilę będziemy mieli dostępne tanie nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym, to co z tego dla nas? Jak może to odczuć przeciętny Kowalski?

  • Transmisja energii: W naszych obecnych systemach przesyłu energii występują znaczne straty energii spowodowane rezystancją przewodników. Nadprzewodniki, które mają zerową rezystancję, mogłyby przesyłać energię bez strat, co znacznie zwiększyłoby efektywność energetyczną naszych sieci energetycznych. W skali globalnej, mogłoby to prowadzić do znacznych oszczędności energii.
  • Generacja energii: Wiele typów generatorów elektrycznych, takich jak te w elektrowniach wiatrowych, geotermalnych czy też konwencjonalnych elektrowniach, korzysta z magnesów. Nadprzewodniki, ze względu na ich zdolność do utrzymania silnego pola magnetycznego bez strat, mogą potencjalnie zwiększyć efektywność tych generatorów.
  • Magazynowanie energii: Nadprzewodniki mogą także przyczynić się do rozwoju wysoce efektywnych systemów magazynowania energii, zwanych nadprzewodnikowymi zasobnikami energii (SMES). SMES mogą gromadzić i uwalniać dużą ilość energii z niewielką stratą, co jest kluczowe dla stabilizacji sieci energetycznej, szczególnie w kontekście zwiększania udziału nieregularnych źródeł odnawialnej energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna.
  • Motory i napędy: Silniki i napędy oparte na nadprzewodnikach mogą działać z wyższą efektywnością niż tradycyjne silniki, co może przynieść oszczędności energii w wielu zastosowaniach, od pojazdów elektrycznych po przemysłową automatykę.
  • Transport: Pociągi magnetyczne (maglev) wykorzystują nadprzewodnictwo do levitacji i mogą osiągać bardzo wysokie prędkości bez tarcia. Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej mogłyby zrewolucjonizować ten rodzaj transportu.
  • Medycyna: Technologie medyczne, takie jak rezonans magnetyczny (MRI), wykorzystują nadprzewodnictwo. Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej mogłyby obniżyć koszty i złożoność tych urządzeń.
  • Komputery kwantowe: Nadprzewodniki są kluczowe dla rozwoju komputerów kwantowych, które mogą przeprowadzać obliczenia znacznie szybciej niż tradycyjne komputery. Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej mogłyby przyspieszyć rozwój tej technologii.
  • Detektory cząstek: Nadprzewodniki są wykorzystywane w detektorach cząstek, takich jak te używane w akceleratorach cząstek. Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej mogłyby zwiększyć czułość tych detektorów.
  • Nadprzewodniki mogą też zrewolucjonizować technologię procesorów, zwłaszcza w kontekście procesorów wielowarstwowych.

Obecnie jednym z największych wyzwań w produkcji coraz bardziej złożonych układów scalonych, takich jak procesory wielowarstwowe, jest zarządzanie ciepłem. Przy tradycyjnym przewodzeniu elektrycznym, przepływ prądu powoduje wydzielanie się ciepła. W przypadku procesorów o wysokiej gęstości i wielu warstwach, to ciepło może się gromadzić i prowadzić do przegrzewania, które może skracać żywotność urządzenia lub nawet prowadzić do uszkodzeń.

Nadprzewodniki nie wydzielają ciepła, ponieważ przewodzą prąd bez oporu. Dlatego mogłyby one umożliwić tworzenie procesorów o większej gęstości i z większą ilością warstw bez obaw o przegrzewanie. To otwiera drzwi do tworzenia jeszcze bardziej zaawansowanych i mocy obliczeniowych komputerów.

Jednakże, trzeba zauważyć, że chociaż nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest ekscytującym postępem, istnieje wiele innych technicznych wyzwań związanych z integracją nadprzewodników do procesorów, takich jak problem kompatybilności z innymi materiałami używanymi w technologii półprzewodnikowej. Mimo to, potencjał jest ogromny.