W ostatnich dniach w serwisie arXiv ukazały się dwie prace koreańskich naukowców (jeden z nich pracuje w USA), którzy donoszą o stworzeniu materiału ceramicznego na bazie apatytu z domieszką miedzi. Badacze udowadniają, że jest on nadprzewodzący aż do temperatury 126 stopni Celsjusza, a więc znacznie powyżej temperatury pokojowej.
Nauka 27.07.2023, 10:46
Józef Spałek
Zdjęcie: Doświadczenie pokazuje kwantową lewitację magnetyczną i efekt zawieszenia. Rozbryzg ciekłego azotu chłodzi ceramiczny nadprzewodnik, zmuszając go do unoszenia się w powietrzu pod magnesem. (Fot. Shutterstock)
Nie potrafię dziś sobie wyobrazić wszelkich konsekwencji tego naukowego przełomu dla naszej cywilizacji.
Józef Spałek - profesor fizyki na Uniwersytecie Jagiellońskim, członek Polskiej Akademii Nauk, laureat polskiego Nobla, tj. nagrody Polskiej Fundacji na rzecz Nauki
Na razie te prace nie zostały jeszcze zrecenzowane, ale ich autorzy pokazują wyniki pomiarów, które dowodzą, że nowy materiał nadprzewodzi, czyli stawia zerowy opór dla przepływu prądu.
Jednym słowem, przepływ prądu odbywa się w nim bez żadnych strat.
Potwierdzeniem jest to, że próbka materiału lewituje (unosi się) nad magnesem. Autorzy załączyli wideo tej lewitacji, które można zobaczyć pod tym linkiem (przy okazji można posłuchać pięknego objaśnienia po angielsku, które Koreańczycy stworzyli przy udziale sztucznej inteligencji).
Jakie jest znaczenie tego odkrycia?
Na początku powiem mocno: z dużą dozą pewności można je postawić w tym samym rzędzie, co odkrycie lasera i tranzystora.
Pod jednym zasadniczym warunkiem - że nowy materiał będzie mógł nadprzewodzić duże prądy.
Wtedy będzie mógł być użyty do wytwarzania bardzo wysokich pól magnetycznych w tomografach, akceleratorach cząstek elementarnych czy też do utrzymania plazmy wysokotemperaturowej przy syntezie termojądrowej, nad czym od lat pracują naukowcy w najlepszych laboratoriach fizyczno-inżynieryjnych na świecie.
No i rzecz oczywista, nadprzewodzące przewody będą przesyłać energię elektryczną na duże odległości bez najmniejszych strat energii.
Obecnie na całym świecie tracimy 30-40 proc. energii elektrycznej podczas jej przesyłania z elektrowni do końcowych odbiorców.
Miniaturyzacja elektroniki i komputery kwantowe
Nawet jeśli marzenie o bezstratnym przesyłaniu dużych prądów od razu się nie spełni, to koreańskie dokonanie znajdzie mnóstwo innych praktycznych zastosowań. Na przykład w nadprzewodzącej elektronice, gdzie używa się prądów o niedużym natężeniu. Dzięki nowym materiałom nadprzewodzącym procesory będą się mało grzać, a więc będzie możliwa jeszcze większa ich miniaturyzacja. Można więc spodziewać się nowej generacji komputerów.
Na koniec bomba: będziemy mieli komputery kwantowe w temperaturze pokojowej, co jest marzeniem kilku pokoleń fizyków i informatyków kwantowych.
Warto nadmienić, iż obecne prototypy komputerów kwantowych działają w temperaturach milikelwinowych (jednej tysięcznej kelwina), a więc bardzo blisko zera bezwzględnego, a to bardzo, bardzo dużo kosztuje. Stać na to tylko najbogatsze firmy informatyczno-komputerowe (np. IBM czy Google).
A czy można sobie wyobrazić połączenie tej technologii z badaniami sztucznej inteligencji (AI)? Ja nie potrafię, ale każdy taki przełom, który ingeruje w podstawę naszej globalnej technologii, zapewne będzie prowadzić do zupełnie nieprzewidywalnych odkryć i zastosowań.
Byliśmy tego świadkiem w przeszłości przy poprzednich technologicznych przełomach. Czy ktoś dawniej wyobrażał sobie, że laserem będzie operował dentysta? Albo że za pomocą zaobserwowanego z trudem zjawiska rezonansu supermalutkich magnesików pochodzących od pojedynczych cząstek jądra atomowego będziemy wyznaczać mapę naszego mózgu, jak w skanerach fMRI? Dziś używamy takich wynalazków.
Na razie można więc tylko snuć przypuszczenia i puszczać wodze fantazji, na przykład że odkrycie nowych materiałów nadprzewodzących przyczyni się do produkcji taniej energii termojądrowej, a ta znajdzie zastosowanie w odsalaniu wody morskiej na wielką skalę.
Co to za materiał?
Skład chemiczny jest na pierwszy rzut oka złożony: Pb(10-x)Cux(PO4)6O. Taki skład oznacza, że dla x=1 (najlepsza próbka) w macierzystej ceramice (która jest izolatorem elektrycznym!) jeden atom ołowiu zastępujemy atomem miedzi, co powoduje dość silne ściśnięcie całej otaczającej go struktury, czyli wytworzenie silnego ciśnienia wewnętrznego. W ten sposób finalny materiał staje się bardzo nietypowym metalem.
W drugiej pracy autorzy sugerują, że jest to metal jednowymiarowy, czyli zestaw łańcuchów atomowych. Ciekawe, że jeśli byłyby to łańcuchy Cu-O, to mielibyśmy bezpośrednią analogię z poprzednimi nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi, za odkrycie których przyznano Nagrodę Nobla. Z tym że w tym wypadku nadprzewodnictwo zachodzi w dużo wyższej temperaturze.
Koreańczycy kończą swoją pracę mocnym zdaniem: „Wierzymy, że nasz nowy wynalazek otworzy nową erę dla ludzkości".
Jeśli ich dokonanie zostanie potwierdzone, a mnóstwo zespołów na całym świecie w tej chwili się do tego zabrało, będzie to jedno z tych niespodziewanych odkryć, o których wszyscy marzymy i na które czekamy. Dzięki prawdziwej nauce marzenia się spełniają.