Supravodivá dioda z třívrstvého grafenu. Credit: Mathias Scheurer, University of Innsbruck

Za nekonvenční supravodivostí stojí antiferomagnetické spinové fluktuace

Supravodivá dioda z grafenu. Hledání mechanismu supravodivosti u oxidů mědi i hydridů. Přelomová dva roky stará studie stažena z Nature. Novinky z oboru supravodivosti.

Z třívrtstvého grafenu se podařilo sestrojit supravodivou diodu. Samotná součástka s takovou funkčností novinkou není, poprvé ale funguje bez vnějšího magnetického pole.
Supravodivá dioda je obdobou té běžné, čili proud vede pouze jedním směrem – a to ovšem s prakticky nulovým odporem. Ukázalo se, že třívrstvý grafen tvořený vůči sobě pootočenými vrstvami si současně vytváří vlastní magnetické pole, tj. supravodivost a magnetismus zde existují vedle sebe. Diodový efekt byl oproti dřívějším supravodivým diodám velmi silný a směr diody šlo jednoduše obracet pomocí elektrického pole.

Jiang-Xiazi Lin et al, Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01700-1
Zdroj: University of Innsbruck / Phys.org

Mezinárodní tým vědců vyvinul dvě nové mikroskopické techniky, kterou slouží ke zkoumání supravodivých oxidů mědi. Tyto metody mají umožnit měřit rozdíly energie mezi orbitaly atomů mědi a kyslíku v závislosti na jejich umístění a také amplitudu vlnové funkce elektronových párů. „Jak teorie předpovídala, výsledky ukázaly kvantitativní inverzní vztah mezi rozdílem energie přenosu náboje mezi sousedními atomy kyslíku a mědi a silou supravodivosti,“ uvádí průvodní tisková zpráva. Nekonvenční, respektive vysokoteplotní supravodiče (včetně oxidů mědi) mají mít tedy supravodivost zajištěnou jiným mechanismem než supravodiče „klasické“. V nízkoteplotních supravodičích jsou Cooperovy páry drženy pohromadě tepelnými vibracemi, ale při vyšších teplotách se stávají příliš nestabilními. Ve vysokoteplotních supravodičích jsou naproti tomu Cooperovy páry drženy pohromadě magnetickými interakcemi („přičemž elektronové páry se k sobě vážou prostřednictvím kvantově mechanické komunikace přes intervenující atom kyslíku,“ dodává tisková zpráva, to už je pro laika nepochopitelné).

Shane M. O’Mahony et al, On the electron pairing mechanism of copper-oxide high temperature superconductivity, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2207449119
Zdroj: University of Oxford / Phys.org

Znovu na totéž téma: V nekonvenčních supravodičích vznikají páry elektronů nikoliv interakcemi elektronů s vibracemi mřížky (fonony), ale nějakým jiným mechanismem. Vědci z Vídeňské technické univerzity, Michiganské univerzity v Ann Arbor a Ústavu Maxe Plancka pro výzkum pevných látek ve Stuttgartu nyní zkusili různé mechanismy pro vysvětlení supravodivosti u kuprátů (nekonvenční supravodiče obsahující aniontové komplexy s mědí). Alessandro Toschi z výzkumného týmu uvádí, že nejjednodušší je fyzika za předpokladu, že za supravodivostí nekonvenčních supravodičů (pravděpodobně nejen kuprátů, ale i sloučenin niklu) stojí antiferomagnetické spinové fluktuace. Konkurenční teorie o roli fluktuací elektrického náboje vedla naopak k velmi složité fyzice a nutnosti přidávání dalších předpokladů.

Xinyang Dong et al, Mechanism of superconductivity in the Hubbard model at intermediate interaction strength, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2205048119
Zdroj: Vienna University of Technology / Phys.org

Ashkan Salamat z University of Nevada v Las Vegas, Ranga Dias z University of Rochester a jejich kolegové v roce 2020 dosáhli supravodivosti při pokojové teplotě u sloučeniny síry, uhlíku a vodíku (poznámka: viz také dále, práce byla mezitím zpochybněna). Jenže to vyžadovalo tlak 267 GPa, tj. podmínky někde blízko středu Země. Nyní se tomuto týmu podařilo snížit potřebný tlak na zhruba třetinu, 91 GPa. K tomu bylo potřeba trochu modifikovat původní sloučeninu (směs, slitinu, nebo jak tomu nejlépe říkat), ovšem tak, aby si zachovala supravodivost.
Pochopení by zde mělo být důležitější než samotný výsledek (stále se jedná o tlak asi tisíckrát vyšší než na dně Mariánského příkopu). V ladění by se mělo dát pokračovat a potřebný tlak dále snižovat, tedy u příslušné struktury H-C-S.

G. Alexander Smith et al, Carbon content drives high temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride below 100 GPa, Chemical Communications (2022). DOI: 10.1039/D2CC03170A
Zdroj: University of Nevada, Las Vegas / Phys.org

Mezinárodní vědecký tým zkoumal mechanismy, které stojí za vysokoteplotní supravodivostí hydridů, speciálně hydridu lanthanu. Lepší pochopení by samozřejmě mělo umožnit tuto teplotu zvyšovat. Teoreticky by měl být nejlepším vysokoteplotním supravodičem čistý vodík – ovšem jeho kovová forma, která existuje jen za extrémně vysokého tlaku (poznámka: a ani to není jisté, protože příprava kovového vodíku v pozemských laboratořích byla jinými vědci zase zpochybněna). „Polyhydridy“ typu LaH10, sloučenin vodíku s uranem atp. vlastně znamenají kompromis, trochu se sníží teplota supravodivosti na úkor potřebného tlaku.
K dalšímu pokroku je ale důležité přesněji chápat mechanismy, které za supravodivostí stojí (viz i výše).
Konvenční supravodivost vzniká na základě interakcí elektronů s oscilacemi krystalové mřížky (fonony). Problém je, že dosud neexistovala nějaká obecnější teorie, jak využít k vylepšení hydridu lanthanu zavedení nějakého klíčového třetího prvku, aby vznikla nová sloučenina vodíku a dvou dalších dobře zvolených prvků („model trojstranných/ternárních supravodivých systémů“).
Autoři nové studie stanovili chování supravodivosti v hydridu lanthanu LaH10 na základě Andersonova teorému. Ten říká, že konvenční supravodiče – ale pouze ty – si zachovávají své vlastnosti, když je do nich zavedena nemagnetická příměs, ale při dopování magnetickými příměsemi dochází ke snížení kritické teploty supravodivosti. „Poté, co jsme v předchozí práci potvrdili, že přídavek yttria, které je nemagnetické, nemá vliv na kritickou teplotu supravodivosti v LaH10, jsme tento materiál místo toho dopovali magnetickým neodymem. A skutečně, čím více atomů neodymu jsme přidávali, tím více to supravodivost potlačovalo, až ji nakonec zničilo při obsahu asi 15 až 20 atomových procent Nd,“ uvedl hlavní autor studie Dmitrij Semenok ze Skoltechu.
Lepší předpovídání vlastností tříprvkových sloučenin – ternárních hydridů – by podle autorů výzkumu mělo umožnit optimalizovat supravodiče, ať už jde o kritické teploty nebo tlak.

Dmitrii V. Semenok et al, Effect of magnetic impurities on superconductivity in LaH 10, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202204038
Zdroj: Skolkovo Institute of Science and Technology / Phys.org

Poznámka PH: Poměrně často se uvádí „tlak potřebný pro syntézu“ supravodičů při vyšších teplotách, což naznačuje, jako by pak příslušné sloučeniny byly stabilní i za tlaků nižších nebo dokonce běžných. Ale to sotva platí pro současnou situaci, neznáme nic supravodivého za pokojové teploty a běžného tlaku, bez ohledu na podmínky syntézy (pak by samozřejmě vyvstala otázka ekonomičnosti, zda by se supravodivý materiál vyplatil vyrábět v průmyslovém měřítku, „extrémní tlak jen jednou“ apod.; ale ani v téhle fázi dosud nejsme).

V roce 2020 byla v Nature publikována studie o supravodivosti sloučeniny síry, uhlíku a vodíku, za pokojové teploty a vysokého tlaku. Vědci z University of Rochester a University of Nevada získali svým příspěvkem značnou pozornost, nicméně studie také vyvolala kritiku. Autoři studie odmítli zpřístupnit nezpracovaná, surová data. Jiné týmy tvrdili, že za popsaných podmínek supravodivosti dosáhnout nelze. Při zpracování dat byly také údajně použity nestandardní metody neobsahující vysvětlení, jak vlastně fungují. Článek byl tedy na základě těchto výhrad ze strany Nature stažen.
Autoři původní studie s tímto rozhodnutím nesouhlasí. Za svou prací, použitými metodami a závěry si nadále stojí. Hlavní autor článku Ranga P. Dias z University of Rochester tvrdí, že článek nebyl stažen kvůli podstatě věci (zda se podařilo dosáhnout supravodivosti při pokojové teplotě), ale pouze kvůli použité metodice. Dias a jeho kolegové plánují znovu předložit svou práci s vysvětlením „nestandardních postupů“ a včetně požadovaných původních surových dat před jejich dalším zpracováním.

Elliot Snider et al, Retraction Note: Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05294-9
Elliot Snider et al, RETRACTED ARTICLE: Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z

Cooperovy páry elektronů mají opačné spiny

Cooperovy páry, tedy dvojice elektronů odpovídající za vlastnosti konvenčních supravodičů, mají vždy opačné spiny. Fyzikové …

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close