Tlakem navrácená supravodivost  
Čínští vědci odhalili nový jev, i když zatím jen u selenidů železa – znovuobjevení se vysokoteplotní supravodivosti při vyšší teplotě a za extrémního tlaku.

 

„Pátrání po supravodivých materiálech s vysokou kritickou teplotou je jednou ze vzrušujících výzev v oblasti fyziky a materiálového výzkumu. Ačkoli supravodivost byla objevena před více než 100 lety (1911), jsou oxidy mědi doposud jedinými materiály s kritickou teplotou nad 77 K, což je teplota varu kapalného dusíku,“ dočteme se v úvodu článku čínských fyziků, kteří zjistili, že když vytvoří ultratenkou vrstvičku selenidu železnatého FeSe na podkladu z titanátu stroncia SrTiO3, první náznaky kritické teploty, při níž se supravodivé vlastnosti objevují, registrují při teplotě okolo 50 K, tedy -223 °C. Je to sice nepředstavitelný chlad, přesto jde o takzvanou vysokoteplotní supravodivost, která byla objevena před čtvrtstoletím. Dolním limitem pro zařazení do kategorie vysokoteplotních supravodičů je kritická teplota 30 K a toto kritérium splňují například některé speciální sloučeny odvozené od oxidů mědi. Tou nejznámější je asi sloučenina YBa2Cu3O7 s kritickou teplotou 92 K nebo kompozit se sumárním vzorcem HgBa2Ca2Cu3O8+δ, jehož kritická teplota má rekordních 138 K, za vysokého tlaku dokonce 153 K, případně až 166 K.

 

Zvětšit obrázek
Materiály, které vědci chtějí zkoumat za extrémního tlaku, vkládají do speciálního „lisu“ mezi dva diamanty. Kredit: Wikipedia

Proti těmto hodnotám se na začátku zmíněná nejistá padesátikelvinová kritická teplota selenidu železnatého jeví jako nezajímavý objev z minulého století. Novinkou v tomto případě však není teplotní rekord, ale přítomnost železa v sloučenině se selenem. Chalkogeny železa a dalšího prvku, například draslíku, rubidia nebo cesia, jejichž složení lze zapsat chemickým vzorcem A1-xFe2-ySe2, jsou jednou z nejmladších skupin vysokoteplotních supravodičů, intenzivně studovaných zejména čínskými vědci. Důkazem je i článek, který minulý týden zveřejnil časopis Nature. Autoři, fyzikové z Čínské akademie věd, dvou čínských universit a čínští vědci pracující ve významných amerických institucích, v Carnegieho ústavu ve Washingtonu a americkém Národním institutu standardů a technologie NIST, mu dali název Znovuobjevení supravodivosti při 48 kelvinech u chalkogenů železa.

 

Co se pod téměř mystickým slovem „znovuobjevení" ukrývá? Zajímavý jev, jehož odhalení zajistilo autorům publikaci v prestižním vědeckém časopisu. Fyzikové malé krystaly selenidů, v struktuře kterých byla část atomů železa nahrazena jiným kovem - thalliem, rubidiem nebo draslíkem (Tl0.6Rb0.4Fe1.67Se2, K0.8Fe1.7Se2 a K0.8Fe1.78Se2) vystavili zvyšujícímu se tlaku. Aby mohli sáhnout do oblasti extrémních hodnot, drobné krystalky o rozměrech asi 100 krát 50 mikrometrů vkládali mezi dva speciálně vybroušené diamanty „mini-lisu“ (diamond-anvil cell – viz obrázek vpravo). Proč, to prozrazují slova prvního autora článku, Liling Sunga, z Ústavu fyziky Čínské akademie věd v Pekingu: "Tlak je způsob, jak naladit základní elektronickou a mřížkovou strukturu tím, že zmenšíme meziatomární vzdálenosti. To pak může vést k celé škále nových jevů.“

 

Myšlenka vyvinout na supravodič vysoký tlak není vůbec nová, již dávněji se prokázalo, že může ovlivnit hodnotu kritické teploty. V případě zkoumaných selenidů se událo ale něco neočekávaného. Za normálního tlaku je kritická teplota selenidů železa, nad kterou přestávají být supravodivé, okolo 30 K. Při 1,6 gigapascalech dosahuje maximum 33 K, pak ale se zvyšujícím se tlakem klesá. Při 9 GPa se vytrácí zcela, aby se ale najednou skokem objevila znovu při tlaku 11,5 gigapascalů, což je 11 miliard 500 milionů pascalů (113 500 krát více, než je průměrný tlak zemské atmosféry na hladinu moře). Za těchto extrémních podmínek dokonce i kritická teplota chalkogenů železa dosahuje rekordní hodnotu: 48 K, tedy – 225 °C (při 12,4 GPa). To však platí jenom do tlaku 13,2 gigapascalů, kdy elektrický odpor opět skokem naroste, čili supravodivost opět mizí. Tentokráte se kritická teplota nesnižuje postupně, ale doslova padne k nule. Fyzikové tento udivující výsledek prověřili třemi nezávislými pokusy.

 

Zvětšit obrázek
Kritická teplota, při níž selenidy železa ztrácejí supravodivé vlastnosti je nejvyšší při tlaku okolo 1,6 GPa. Pak postupně klesá k nule při 9 GPa. Když ale tlak stoupne na hodnotu 11,5 GPa, supravodivost se znovu objeví, dokonce s vyšší kritickou teplotou. Jenže stačí další nárůst o 1,7 GPa a jak se záhadně náhle „znovuobjevila“, tak i „znovumizí“. Kredit: Jiling Sun, Chinese Academy of Sciences

Pokles kritické (hraniční) teploty supravodivosti mezi hodnotami tlaku 1,6 až 9 gigapascalů (oblast SC-I na obrázku vlevo) vědci očekávali, protože podle předpokladů tlak narušuje vnitřní uspořádání mezer (vacancy ordering) v krystalové mřížce, a to vede k nárůstu odporu. Oblast SC-II  je ale překvapením. Autoři v závěru článku píší: „Pozorování oblasti SC-II související se znovuobjevením se supravodivosti s vyšší kritickou teplotou u chalkogenů železa je neočekávané. Nepochybně bude stimulem pro mnoho experimentálních i teoretických studií vysvětlujících, jestli tento jev souvisí s kvantovým fázovým přechodem, magnetizmem, superstrukturou (ve fyzice pevných látek další vnitřní struktura, která je superponována na strukturu krystalové mřížky), uspořádáním mezer nebo fluktuací spinů.“

 

I když teplota 48 K pro vysokoteplotní supravodivost není žádnou velkou výhrou, v tomto případě jde o objev jevu, který je výzvou pro hledání mechanismů, jež ho způsobují. Pro „železné“ supravodiče hodnota 48 K není dokonce ani rekordní. U struktur se střídajícími se monomolekulárními vrstvami arsenidu FeAs a oxidu některého z lanthanoidů (lanthan, cer, praseodym, neodym, promethium či samarium) byla naměřena podobná kritická teplota, u kompozitu SmFeAsO1-δ dosáhla hodnotu 55 K. Jenže žádný z těchto materiálů na bázi železa nelze použít pro školní demonstrace supravodivosti, protože se nedá chladit dusíkem s teplotou varu 77 K. Udržovat tak nízké teploty si vyžaduje tekuté helium, a to je drahé. Proč tedy vědci, a nelze si nevšimnout, že zejména čínští, "železné" supravodiče tak usilovně zkoumají, když jsou k dispozici "měděné" materiály s mnohem vyšší kritickou teplotou i při běžném tlaku?

 

Těch odpovědí na tuto otázku bude asi více. Objevení vysokoteplotní supravodivosti u sloučenin železa v roce 2008 přineslo překvapení. Tuto fascinující vlastnost, která umožňuje bez odporu vést elektrický proud, jenž by uzavřenou smyčkou ideálního supravodiče protékal navěky, lze narušit nejen zvýšenou teplotou, ale i silnějším vnějším magnetickým polem. Měď, která se nachází ve struktuře známých vysokoteplotních supravodičů, je slabě diamagnetická, železo ale patří mezi feromagnetické materiály a samotný atom vykazuje poměrně vysoký magnetický moment. Proto je supravodivost, která má v pozadí tuto vlastnost vázanou na vnitřní strukturu, pro fyziku zajímavá.

 

Ještě jeden poznatek ale zmíněné studie supravodivosti nabízejí. Týká se dalšího vývoje a rozložení ekonomických sil ve světě a strategie politiky v oblasti vědy a techniky. Nejen ve výzkumu supravodičů, ale i v jiných směrech materiálového výzkumu nebo v dalších „praktických“ oborech, které si vyžadují systematickou mravenčí, často dlouhodobou laboratorní přípravu a měření, se stále častěji potkáváme s pro nás tak exoticky znějícími asijskými jmény. Čína má bohaté zásoby surovin, je s přehledem největším vývozcem kovů vzácných zemin, které jsou nevyhnutné k výrobě moderních elektronických přístrojů i solárních panelů. Vývoz těchto strategických surovin ale výrazně omezuje a logicky se na světových trzích snaží o prodej již hotových výrobků. Stále sofistikovanějších, u nichž lze očekávat i rostoucí kvalitu. Ekonomika této obrovské země prudce narůstá, pracovní síla je levná a žel zatím snese i velkou míru „vykořisťování“. Vždyť nakonec to využívají i evropští (nejen) velkopodnikatelé. Číňané rychle získávají know-how, navíc mají v zahraničí, zejména v USA, mnoho kvalitních a pracovitých vědců, kterých návrat nebude v mnohých případech problém doslova koupit...  V budoucnu tak může mít dobrý vědec větší cenu, než prvoligový fotbalový hráč. Minimálně v oborech, které pomáhají získávat body v technologickém souboji.



Video z dílny BBC: Krátká lekce angličtiny s bonusem v podobě zajímavého vysvětlení supravodivosti a magnetické levitace. Supravodič se chová jako silné diamagnetikum - v přítomnosti vnějšího magnetického pole (například permanentního magnetu) se v něm generují elektrické proudy, jež vytváří pole opačné polarity a proto se s tím vnějším intenzivně odpuzují. To pak umožňuje magnetu se nad podchlazeným supravodičem volně vznášet (nebo naopak - supravodiči nad magnetem). Ten černý, zdánlivě nezajímavý váleček, na kterém Jim Al-Khalili demonstruje magnetickou levitaci, je z oxidu ytria, barya a mědi, jehož sumární chemický vzorec je YBa2Cu3O7. Známější je ale pod technickým označením YBCO a díky jeho vysoké kritické teplotě (92 K) ho lze chladit kapalním dusíkem a používat na podobné „předváděčky“ jedné z fascinujících vlastností supravodičů.  


 



Zdroje: Nature News , Nature

Datum: 28.02.2012 14:59
Tisk článku

Fyzika pro gymnázia Elektřina a magnetismus - Lepil Oldřich, Šedivý Přemysl
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 169 Kč
cena: 169 Kč
Fyzika pro gymnázia Elektřina a magnetismus
Lepil Oldřich, Šedivý Přemysl

Diskuze:

jiste...

Zik Urat,2012-03-01 01:42:48

A new application of lanthanum glass is in making optical fibers. An optical fiber is a wire-like material made of glass.

http://www.encyclopedia.com/topic/lanthanum.aspx
------------------------------------------------------
Lanthanum fluoride (LaF3) is an essential component of a heavy fluoride glass named ZBLAN. This glass has superior transmittance in the infrared range and is therefore used for fiber-optical communication systems.

http://en.wikipedia.org/wiki/Lanthanum
-------------------------------------------------------

http://en.wikipedia.org/wiki/ZBLAN

Odpovědět


Zik Urat,2012-03-01 01:43:29

toto je rakce na pana Dovicina

Odpovědět


Ako z toho, čo ste uviedli,

Rudolf Dovičín,2012-03-01 13:46:04

vyplýva, že bez neho optické vlákna neobídu?

Inak, vynechali ste: "Their drawbacks are fragility and sensitivity to moisture".

Odpovědět


Zik Urat,2012-03-01 18:17:12

"vyplýva, že bez neho optické vlákna neobídu?"

O cem se tu vlastne bavime?
Pokud mate vedomosti a penize na vyzkum neceho lepsiho nez ZBLAN, pustte se do toho a pak to prodejte treba NASA. Utrhnou vam za to ruce.

viz
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1998/msad05feb98_1/

Odpovědět


Zik Urat,2012-03-01 18:21:23

a at nerikate, ze je to stary tak

http://www.opticsinfobase.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-32-5-454

http://www.hindawi.com/journals/aoe/2010/501956/

Odpovědět


Bavíme sa o Vašom,

Rudolf Dovičín,2012-03-01 23:28:28

zatiaľ stále NEPODLOŽENOM tvrdení, že bez lantánu sa nezaobídu optické vlákna.

Odpovědět


Zik Urat,2012-03-02 00:26:48

Pravdepodobne jste spickovy chemik nebo materialovy inzenyr, ze? Z vasich komentu mam totiz pocit, ze jste snad nasel reseni. :o
Takze prosim podlozte Vy sve tvrzeni, ze se lze bez nej obejit, jinak se tu nemame o cem bavit.

Ja vas tu uz nadale nehodlam jak trotl bombardovat odkazy s vyuzitim lanthanu v optice a vy mi za to na oplatku uvedete odkaz na clanek, ktery se v teto specificke oblasti optiky zaobira jeho nahradou za neco lanthanu-prosteho, ano?

PS: Mimochodem lanthan se velmi hojne vyuziva take v medicine, ale to uz si laskave vyguglete sam. A nebojte, Nobelovku vam neukradnu ;-)

Odpovědět


Ja nič netvrdím, len nemám rád "ťažké" t

Rudolf Dovičín,2012-03-02 02:05:38

bez patričného podloženia.

Ono totiž ukázať, že sa niečo bez niečoho NEZAOBÍDE, je veľmi, veľmi NÁROČNÁ vec.
Veď ukážte, že KAŽDÉ optické vlákno POTREBUJE lantán, ako ste tu tvrdili 29.02.2012 v 00:09 - zatiaľ ste to totiž neukázali.

(Všade sa uvádza, že optické vláska sa vyrábajú, okrem iného, aj z ČISTÉHO "kremeňa" alebo s inými prímesami ako s kovmi vzácnych zemín.)

Odpovědět


Zik Urat,2012-03-02 17:33:20

Aha, uz vim kam tim slovickarenim mirite. Ja ale nenapsal, ze KAZDE opticke vlakno potrebuje lanthan. Termin "opticke vlakno" je vseobecny pojem a neznamena jeden konkretni typ vyrobku. Kdyz pujdete k prodejci a reknete mu, ze chcete 1 km optickeho vlakna(kabelu), tak mu to asi stacit nebude nemyslite? Optickych vlaken existuje mnoho druhu v zavislotsi na tom na co ho budete pouzivat. Optika co mate zakopanou u vas v horni dolni pred barakem neni ta stejna co pouziva napr. armada v raketach, NASA v raketoplanech ci letecky prumysl.

Prave opticka vlakna ZBLAN pro oblast ultra a infra prenosu svetla jsou v dane oblasti prumyslu, kde je potreba dosahnout jistych kriterii nenahraditelna.

Uz vidim ty vyzkumniky jak si sypou popel na hlavu, ze stravili roky vyvojem ZBLAN kdyz jim stacilo zaskocit nekam do kramu pro buben optiky.

Odpovědět

Konstantin Starsi,2012-02-28 23:05:55

dat sa da, ale nedosiahnes tie parametre ako ked ich pouzijes... momentalne je lacnejsie a vyhodnejsie pouzit ich tak sa pouzivaju...

Odpovědět

Patří mezi takřka přestárlé,

Leopold Kyslinger,2012-02-28 20:20:24

ale například lanthanová skla se dělala, kvůli jejich mimořádným optickým i mechanickým vlastnostem, už v sedmdesátých letech minulého století. Jestli se čtyřicet let starým zprávám říká v dnešní době hoax...

Odpovědět


Nevravel som, že nemôžu byť užitočné,

Rudolf Dovičín,2012-02-28 20:28:57

ale o tom, že nie sú nenahraditeľné.

Aký strašne dôležitý optický prístroj bez tohto skla nemôže byť vyrobený?

Odpovědět


Zik Urat,2012-02-29 00:09:58

"Aký strašne dôležitý optický prístroj bez tohto skla nemôže byť vyrobený?"

tak treba opticka vlakna se bez nej neobejdou :)

Odpovědět


Pán Zik Urat

Rudolf Dovičín,2012-02-29 16:01:45

Viete toto svoje tvrdenie aj niečím podložiť?

Odpovědět

Kde sa berie ten hoax o kovoch vzácnych zemín?

Rudolf Dovičín,2012-02-28 18:53:17

Neviem o tom, že by existovala nejaká vec, čo by sa nedala vyrobiť bez nich, určite nie moderné elektronické prístroje či solárne panely.

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2012-02-28 21:32:46

až je mi divnô odpovedať na Vašu pripomienku... moderné laserové technológie... Sc do špeciálnych zliatin a šp. výbojkových lámp, europium, ytrium v LED, lantan - vakuové trubice, cér - katalyzátory, čím by ste nahradili neodým v super-magnetoch? Atď...

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace