Strasti a slasti vysokoteplotních supravodičů

úterý 20. říjen 2009 23:31

Když v roce 1911 objevil Kammerlingh Onnes supravodivé vlastnosti rtuti ochlazené pomocí kapalného hélia na několik stupňů nad absolutní nulou, netušil, že vysvětlení jevu odolá až do roku 1957, kdy se objevila první uspokojivá teorie supravodivosti, tzv. BCS teorie. Z této teorie vyplývá pro vznik supravodivosti nepřekročitelná teplota 23 K (tzv. Kelvinů, tj. stupňů nad absolutní nulou, což je teplota -273 °C). To vyžaduje drahé chlazení látek vroucím héliem o teplotě 4 K. V roce 1986 však K.A. Müller a J.G. Bednorz objevili supravodivost nových keramických materiálů za teplot vyšších než 30 K a brzy následoval objev supravodičů za teplot vyšších, než je teplota varu dusíku (77 K). Jev byl nazván vysokoteplotní supravodivost.

Stav vývoje nízkoteplotních a tzv. vysokoteplotních supravodičů zachycuje časový graf výše, na svislé ose je vynášena teplota supravodivého přechodu dosažená v jednotlivých letech. Přes obrovskou publicitu, kterou před dvaceti lety tento objev vyvolal, vysokoteplotní supravodiče zatím nalezly jen nepatrné praktické využití. Dokonce ani v urychlovači LHC (Large Hadron Collider) v současné době dokončovaném pro vědecké účely v Cernu se nepoužívají keramické supravodiče, ale stále staré dobré supravodiče z kovové slitiny titanu a niobu (NbTi) - samozřejmě v podstatně vylepšené podobě. Protože tato slitina je za nízkých teplot velmi křehká, je zpracována do jemných vláken desetkrát tenčích než lidský vlas. Ty jsou spojeny do pramínků plátovaných mědí, ze kterých je teprve spředen supravodivý kabel  o průměru 1.4 cm. Za provozu takovými kabely protékají proudy až třicet tisíc ampér (pro srovnání: síťová šňůra elektrického vařiče, která je jen o polovinu tenčí, je dimenzována na pouhých deset ampér).

Supravodivý kabel urychlovače částic LHC v Cernu Supravodivý kabel urychlovače částic LHC v Cernu

Tenké pramínky supravodivých kabelů nemají důvod jen v ohebnosti, ale i v bezpečnosti. Pokud v některém místě kabelu dojde k překročení kritické proudové hustoty, supravodivý materiál naráz přejde do kovového stavu s relativně velkým elektrickým odporem a explozívně se rozžhaví - ještě mnohem prudčeji, než vlákno žárovky. Výbuch kompaktního kabelu by urychlovač zdemoloval - takto však dojde pouze k jeho rozprášení na množství jemných vláken a přerušení proudu. I přesto měla nedávná nehoda urychlovače LHC, při které došlo v jednom místě k vykalení supravodivého vedení dalekosáhlé následky, protože výbuch jedné části urychlovače způsobil únik chladícího hélia i v sousedních sektorech - a nakonec se musela vyměnit celá osmina urychlovače, čímž došlo k zpomalení projektu o více než rok.

Hlavním problémem vysokoteplotních supravodičů na rozdíl od kovových materiálů zůstává skutečnost, že z nich nelze vytvářet ohebná tenká vlákna, protože jsou velmi křehké. I dosahovaná mezní proudová hustota je u těchto materiálů nižší, než u klasických nízkoteplotních supravodičů. Příčinou je skutečnost, že na vysokoteplotní supravodivosti se podílí jen malý objem materiálu. Jak jsem vysvětloval v předchozím příspěvku, vysokoteplotní supravodič tvoří tenké vrstvy atomů přitahujících elektrony, které kolem nich vytvářejí hustou chaotickou kapalinu, kterou se elektrický náboj šíří ve vlnách, místo jednotlivými elektrony. Tyto supravodivé vrstvy atomů však musí být obklopeny dostatečnými mezerami atomů, které elektrony nepřitahují. Čím větší je rozestup vrstev supravodivých pásů, tím vyšší teplotu supravodivého přechodu dosáhneme - tento trend je dobře vidět na několika strukturách s vysokou teplotou supravodivého přechodu na obrázku níže:

Element struktury čtyř vysokoteplotních supravodičů

Rostoucí vzdálenost supravodivých vrstev v materiálu ale také znamená, že proudová zatížitelnost supravodičů s rostoucí teplotou supravodivého přechodu klesá. Průchodem proudu v supravodiči vzniká magnetické pole a to od sebe odstrkuje elektrony, které se přitom pohybují stejným směrem. Tím se snižuje hustota elektronové kapaliny v okolí supravodivých vrstev a pokud poklesne pod určitou mez, materiál pod proudem může ztratit supravodivost i při teplotách mnohem nižších, než je teplota supravodivého přechodu. V případě, že je supravodivý kabel zatížen vysokým proudem, může mít náhlá ztráta supravodivosti katastrofální následky, jak bylo naznačeno v předchozím odstavci.

Supravodivý přechod při rekordní teplotě -19 °C

Samozřejmě, že se vývoj vysokoteplotních supravodičů nezastavil a nedávno se na internetu objevila zpráva, že pro keramický supravodič byla naměřena teplota supravodivého přechodu 254 K, tj. téměř -19 °C - což je teplota, kterou lze bez problému dosáhnout na mrazáku obyčejné kuchyňské ledničky. To je v podstatě skok o 100 °C za poslední tří roky! Skutečnost, že tato zpráva na veřejnosti nevyvolala téměž žádnou pozornost je způsobena faktem, že supravodivý přechod se zde projevuje sice zřetelným, ale jen nepatrným skokem na teplotní křivce vodivosti (viz obr. výše). Materiál jako celek zůstává stále prakticky nevodivý. To lze snadno pochopit, když si uvědomíme, že každý objemový element takové látky je tvořen až z dvaceti vrstev atomů, z nichž pouze jedna je supravodivá a tyto supravodivé vrstvy na sebe navzájem musí v celém objemu materiálu navazovat!

Největším problémem při výrobě vysokoteplotních supravodičů je tedy právě požadavek, aby supravodivé pásy tvořily v materiálu řídkou vzájemně propojenou třírozměrnou mřížku, zatímco běžné krystaly tvoří jen dvourozměrné vrstvy. Potřebného rozestupu vrstev se zatím dosahuje podobně, jako v případě tzv. kovových skel: mezivrstvy tvoří směsi chemicky navzájem podobných atomů (jako thallium, baryum a vápník) - ale s nepatrně odlišným průměrem, což materiálu brání vytvořit kompaktní mřížku. Je možné, že v budoucnosti se budou supravodiče vytvářet vrstvu po vrstvě epitaxními metodami s řízeným nanášením atomů, podobně jako při přípravě tzv. heterostruktur při výrobě polovodičů pro elektroniku, nebo elektrochemicky vylučováním z roztoků o různém složení, apod., ale tyto cesty nyní přesahují možnosti současných technologií.

Tři různé úrovně příměsí atomů přitahujících elektrony

Správné chování supravodičů dále závisí na optimálním poměru neutrálních atomů a atomů přitahujících elektrony. Pokud je těchto atomů málo, netvoří ve struktuře supravodiče souvislé vodivé proužky. Takový materiál vykazuje tzv. pseudogap, to znamená, že se chová v mnoha ohledech (elektronová spektra, tepelná vodivost apod.), jako by supravodivý byl - ale protože cestičky proudu mezi jednotlivými atomy nejsou navzájem propojené, materiál jako celek zůstává nevodičem. Pokud se naopak množství atomů v supravodivých pásech přežene, tyto atomy zde sice k sobě přitahují dostatek elektronů - ale mezi sebou se o ně vzájemně přetahují a ani tehdy není dosažená hustota elektronů dostatečná k vytvoření supravodivé fáze. V krajním případě je materiál nestabilní a krystalová mřížka se rozpadne, protože nevydrží tlak vzájemně odpudivých sil elektronů soustředěných v supravodivých pásech.

Tři různé úrovně příměsí atomů přitahujících elektrony

Uvedené souvislosti znázorňuje trojice obrázků výše, na kterých je zobrazena struktura supravodivých pásů ve vzorcích materiálu s různým poměrem atomů přitahujících elektrony. Vlevo není hustota supravodivé fáze dostatečná, vpravo je naopak oblastí bohatých na elektrony mnoho, ale příliš řídkých. Z tohoto úvodu je zřejmé, že úspěšná příprava vysokoteplotních supravodičů je dosud spíše umění než exaktní věda a že si na skutečný průlom v této oblasti zřejmě ještě několik let počkáme.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

PetrikVkládané video17:5921.10.2009 17:59:38
NaďaZde je důkaz.15:3421.10.2009 15:34:59
NaďaPane Petříku,15:2721.10.2009 15:27:40
PetrikNeděkujte..10:1721.10.2009 10:17:23
Lída V.Pro mne jsou Vaše články07:5721.10.2009 7:57:14
marekVážně pěkné článkly,07:4921.10.2009 7:49:12
PetrikDěkuji...00:4621.10.2009 0:46:17
MartinPochvala00:1621.10.2009 0:16:58

Počet příspěvků: 8, poslední 21.10.2009 17:59:38 Zobrazuji posledních 8 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik