Amióta Heike Kamerlingh Onnes holland tudós 1911-ben először látta meg, ahogy az elektromos ellenállás eltűnik, a szupravezetés lenyűgözte a fizikusokat. Az is szinte rejtély, hogy hogyan történik mindez: a jelenséghez az elektromos áramot hordozó elektronok párosodására van szükség. (Mivel az elektronok taszítják egymást, egyesülésük sem az a kimondott tankönyvi eset.)
A szupravezetés rengeteget ígér a technológiai iparban: olyan eszközök kifejlesztését tette lehetővé, mint az MRI-berendezések vagy teljesítményű részecske-ütköztetők.
A tervezhetetlen megtervezése
Ha a fizikusok teljes mértékben megértenék, hogyan és mikor keletkezik a jelenség, talán olyan vezetéket tudnának tervezni, amely mindennapi körülmények között is “szupravezeti” az elektromosságot, nem pedig kizárólag alacsony hőmérsékleten, ahogyan ez jelenleg történik. A világot megváltoztató technológiák – veszteségmentes elektromos hálózatok, mágnesesen lebegő járművek – kora jöhet el.
A közelmúltbeli felfedezések sorozata egyszerre növelte a szupravezetés rejtélyét és fokozta az optimizmust. „Úgy tűnik, hogy az anyagokban a szupravezetés mindenütt jelen van” – mondta Matthew Yankowitz, a Washingtoni Egyetem fizikusa.
A felfedezések az anyagtudományban a közelmúltban bekövetkezett forradalomból erednek – írta a QuantaMagazine.org.
A szupravezetés mindhárom új példája sík atomlapokból összeállított eszközökben jelent meg. Ezek az anyagok példátlan rugalmasságot mutatnak. A fizikusok egy gombnyomással átkapcsolhatják őket vezető, szigetelő és egzotikusabb viselkedésmódok között – ez az alkímia modern formája, amely felgyorsította a szupravezetés utáni “nyomozást”.
Ma már egyre valószínűbbnek tűnik, hogy a jelenséget különféle okok idézhetik elő. Ahogy a madarak, a méhek és a szitakötők is különböző szárnyszerkezetek segítségével repülnek, úgy tűnik, hogy az anyagok is különböző módon párosítják az elektronokat.
Még ha a kutatók vitatkoznak is arról, hogy pontosan mi történik a szóban forgó különböző kétdimenziós anyagokban, arra számítanak, hogy a szupravezetők egyre növekvő állatkertje segít majd abban, hogy általánosabb képet kapjanak a csábító jelenségről.
Az elektronok párosítása
Kamerlingh Onnes megfigyeléseit (és a más rendkívül hideg fémekben megfigyelt szupravezetésnek) végül 1957-ben sikerült megfejteni. John Bardeen, Leon Cooper és John Robert Schrieffer rájött, hogy alacsony hőmérsékleten az anyag rázkódó atomrácsa elcsendesedik, így finomabb hatások érvényesülnek. Az elektronok finoman mozgatják a rácsban lévő protonokat, befelé vonzzák őket, és így többlet pozitív töltést hoznak létre. Ez a fononként ismert deformáció aztán egy második elektront is bevonzhat, így egy „Cooper-párt” alkotva.
A Cooper-párok úgy tudnak egy koherens kvantumegységgé összeállni, ahogyan a magányos választások nem. A keletkező kvantumleves súrlódásmentesen csúszik az anyag atomjai közé, amelyek normális esetben akadályozzák az elektromos áramlást.
Bardeen, Cooper és Schrieffer a fononalapú szupravezetés elméletéért 1972-ben fizikai Nobel-díjat kapott. De kiderült, hogy a történet még így sem teljes. Az 1980-as években a fizikusok rájöttek, hogy a rézzel töltött kristályok, az úgynevezett kuprátok magasabb hőmérsékleten is képesek a szupravezetésre, ahol az atomi rázkódások kimossák a fononokat.
A grafének forradalma és határai
Pablo Jarillo-Herrero, a Massachusetts Institute of Technology fizikusa 2018-ban fedezte fel, hogy ha egy méhsejtrácsba rendezett szénatomokból álló lapot – egy grafénnek nevezett 2D-s kristályt – elforgatnak, és egy másik grafénlap tetejére rakják, a két réteg szupravezetővé válik.
A kutatók már korábban is kísérleteztek 2D-s anyagokkal, és változatos viselkedést találtak. Elektromos mezők alkalmazásával elektronokat tudtak hozzáadni a laphoz, vagy olyan érzést keltettek, mintha az atomrács összehúzódna. Ezeknek a beállításoknak a megforgatásával egyetlen 2D-s eszközben több ezer vagy millió lehetséges anyag viselkedését lehetett reprodukálni. Jarillo-Herrero megmutatta, hogy e lehetőségek halmaza között egy új szupravezető is volt: a „mágikus szögű” grafén.
Néhány évvel később aztán egy kaliforniai csoport eltüntette a mágikus szöget, és azt találta, hogy a háromrétegű, csavarodásmentes graféneszközök is képesek szupravezetésre.
A kutatók között még mindig nincs egyetértés arról, hogy miért tapadnak össze az elektronok.
Ami igazán felvillanyozta a fizikusokat, az a szupravezetés általános vizsgálatának új módszerei. A testre szabható 2D-s eszközök megszabadították őket az új kristályok egyenként történő tervezésének, növesztésének és tesztelésének fáradságos munkájától. A kutatók mostantól egyetlen eszközben gyorsan újrateremthetik többféle atomrács hatásait, és pontosan megtudhatják, mire képesek az elektronok.
A kutatási stratégia most kifizetődőnek bizonyul. Tavaly ugyanis a fizikusok megtalálták a szupravezetés első eseteit a graféntől eltérő 2D-s anyagokban, valamint a szupravezetés egy teljesen újszerű formáját egy új grafénrendszerben. A felfedezések alapján megállapították, hogy a korábbi grafén szupravezetők csak egy vad, új dzsungel peremét jelölik.
(Kép: Dall-e)
