Vyvinutí materiálu se supravodivostí za „pokojové“ teploty by přineslo doslova zvrat v mnoha oblastech a vyřešilo by spoustu doposud složitě řešených problémů. Není tedy divu, že se tímto směrem ubírá bádání mnoha vědeckých skupin. Ani jedna z doposud zveřejněných nadějných cest však zatím k cíli nikoho nedovedla.
V roce 1911 nizozemský fyzik Heike Kamerlingh Onnes ve své laboratoři provozoval zařízení, které bylo nejen technickým divem své doby, ale také výsledkem trpělivé práce zručných mechaniků, sklářů a techniků: nejlepší kryostat své doby.
Onnesova chladicí soustava měla dvoustěnný skleněný sifon s vakuovou pumpou a také magneticky ovládané míchadlo, které zjednodušovalo problém stanovení přesné teploty v daném místě aparatury. High-tech systém umožnil nizozemskému týmu výzkum oblasti, která ležela za hranicemi tehdejšího fyzikálního poznání: chování látek při teplotách blízkých absolutní nule.
Bádání v tomto směru mělo své praktické i vědecké důvody. Předchozí měření mimo jiného jasně ukazovala, že odpor kovů při nižší teplotě klesá. Fyzikové se shodovali, že za elektrickou vodivost jsou odpovědné elektrony, avšak rozdílné názory panovaly na to, co se nejen s elektrony stane při nulové teplotě.
|
Ručně psané Gerritem Flimem jsou štítky pro: © volné dílo, barevné zvýraznění Dirk van Delft, Peter Kes / Physics Today |
Spodní část kryostatu, ve kterém Heike Kamerlingh Onnes a jeho spolupracovníci 8. dubna 1911 objevili existenci supravodivosti.
Například slavný lord Kelvin předpokládal, že při teplotě odpovídající absolutní nule se elektrony zjednodušeně řečeno zastaví, a kov tedy bude úplně nevodivý. Podle jeho představ tedy odpor čistého kovu by s klesající teplotou nejprve klesal, dokud by nedosáhl nějakého minima, aby pak, při dosahování blízkosti absolutní nuly, rychle vyskočil k nekonečné hodnotě.
To, co se ve skutečnosti stalo, bylo možná ještě bizarnější — a zázračné. Onnes a jeho tým pracovali se rtutí ponořenou do kapalného helia chlazeného právě na teploty blízké absolutní nule. Jakmile teplota rtuti klesla pod −269 °C (4,2 K), vědci zaznamenali něco do té doby nevídaného: elektrický odpor rtuti náhle klesl na nulu.
Tento jev pojmenovaný „supravodivost“ přišel zcela skokově. Kov prostě naráz přešel z jednoho stavu do druhého. Ve vědeckém žargonu se takovým procesům říká fázový přechod a do této škatulky spadají také jevy doprovázející změny látek z jednoho skupenství do druhého.
Onnesův objev byl začátkem úplně nové kapitoly ve fyzice a materiálových vědách. Jeho osobní rukopis byl údajně velmi špatně čitelný, přesto se jím nesmazatelně zapsal do dějin vědy. Supravodivost, fenomén tak neuvěřitelný, že vypadal až jako kouzlo, se stala důležitým nástrojem moderních technologů a vědců.
Stručný zápis z 8. dubna 1911 v Onnesově zápisníku zaznamenává první pozorování supravodivosti. Zvýrazněná holandská věta „Kwik nagenoeg nul“ znamená „(Odpor) rtuti prakticky nulový“. Hned následující věta „Herhaald met goud“ znamená „Zopakováno se zlatem“ © volné dílo, zvýraznění Dirk van Delft, Peter Kes / Physics Today
Kéž by přihořívalo
Supravodivost pochopitelně vzbudila ve vědecké komunitě poměrně velkou pozornost a položila základy pro nové směry výzkumu. Elektronické obvody ze supravodičů by měly pracovat mnohem rychleji než běžně používané polovodičové. Supravodivost lze dále využít pro některé polovodičové paměti, neboť informace uložené v supravodiči se nemění.
Pokud přejdeme od měřítek „mikro“ k „mega“, s pomocí supravodičů by mohlo být možné postavit skutečně účinné a prakticky využitelné vlaky levitující na magnetických polštářích, bezztrátové rozvody elektrické energie nebo postavit i extrémně silné elektromagnety, jež po zapnutí vydrží prakticky věčně i bez dalších dodávek energie (a přitom jdou znovu vypnout, pokud je to zapotřebí).
Nalezení „supravodiče za pokojové teploty“ by autorům objevu přineslo nepochybně řadu ocenění, včetně Nobelovy ceny, a velmi pravděpodobně také nezanedbatelný materiální prospěch. A kromě vylepšení řady používaných technologií může vést ke zrodu celé řady dalších, z velké části dnes nepředvídaných vědeckých a technických novinek.
Ovšem realizovat tyto a další sny se daří jen pomalu a obtížně. Fyzikové i inženýři měli v hlavách spoustu možných využití nové exotické vlastnosti už v prvních letech po jejím objevu, praktické možnosti byly však téměř nulové.
Sám Onnes si v roce 1914 do deníku poznamenal, že rád kolegům z oboru přímo na nějakém setkání předvede, jak vlastně supravodivost vypadá — jak ochlazený kov dokáže uchovat elektrický náboj beze ztrát, pokud je ponořen do kapalného helia. „Rád bych […] ukázal tento jev stejně, jako jsem v roce 1906 s sebou přinesl kapalný vodík. Ale zařízení, které mám k dispozici, zatím neumožňuje přepravu kapalného helia.“
O dvě desetiletí později se taková putovní ukázka už uskutečnit mohla. V roce 1932, šest let po Onnesově smrti, jeho bývalý hlavní technik Gerrit Flim přiletěl do Londýna s termoskou obsahující olověný prstenec ponořený do kapalného helia a nesoucí stálý proud 200 A. Cestu podnikl, aby na tradiční páteční večerní přednášce Královského institutu demonstroval nejsenzačnější vliv supravodivosti. Právě na jedné takové akci v roce 1899 vynálezce vakuové termosky James Dewar předvedl kolegům poprvé veřejně zkapalnění vodíku.
Ale pokud pomineme tuto a další podobné veřejné demonstrace, supravodivost se v praxi příliš neosvědčila. S kapalným heliem se obtížně pracuje i dnes, natož v první polovině minulého století. Navíc se řada fyziků v prvních letech po Onnesově objevu domnívala, že by mohlo jít o exotickou vlastnost vyskytující se při teplotách pouze kolem absolutní nuly.
Takové fyzikální „kouzlo“ sice není příliš obtížné, ale jak jsme uvedli, náročná je práce s kapalným heliem. V důsledku jsou tedy heliové kryostaty nepraktické a drahé. Velký dopad objevu na běžný život tedy většina fyziků tehdy ne- předpokládala.
Jenže v tomto případě nás fyzika velmi příjemně překvapila. Časem se ukázalo, že skutečnost je zajímavější, než se Onnes a další zprvu domnívali. Další experimenty ani teoretické práce neobjevily žádný důvod, proč by supravodiče nemohly existovat i za vyšších teplot.
Před fyziky tak vyvstal nový sen: vytvořit látku, která by mohla dokonale vést a „uchovávat“ proud i za běžných — někdo by řekl pokojových — teplot.
Budoucnost je v keramice
Velkým krokem vpřed bylo v 60. letech odhalení teoretického principu supravodivosti. Díky němu bylo možné spustit další vlnu pátrání po nových materiálech, které by mohly touto schopností oplývat i při vyšších teplotách.
Zatím největší praktický úspěch pochází z poloviny 80. let, kdy se podařilo identifikovat několik supravodivých látek, k jejichž chlazení stačí kapalný dusík. Ten má bod varu −195 °C, takže sice rozhodně nejde o „pokojovou“ teplotu, ale z technického hlediska jde o výrazně jednodušší systém než heliové chlazení. Objev odbornou veřejnost potěšil natolik, že už v roce 1987, tedy prakticky rok po jeho zveřejnění, byla autorům udělena Nobelova cena.
Nejpraktičtějším z této nové třídy keramických supravodičů se nakonec ukázal být materiál známý jako YBCO (yttrium barium copper oxide, tedy oxid mědi s ytriem a baryem), který byl objeven až po udělení zmíněné nobelovky — v roce 1987. Ale přestože je znám už víc než 30 let, dlouho ho nikdo nedokázal vyrobit v dostatečné kvalitě a kvantitě. Tato keramika je velmi citlivá na některé proměnné ve výrobě. Například se musí bedlivě sledovat množství kyslíku, které obsahuje. Vlastnosti ovlivňuje také to, jak YBCO během výroby krystalizuje. Aby sloužil jako supravodič, měl by mít ideálně všechny krystaly v podstatě „srovnané“ a stejně orientované.
Materiál by byl například ideální pro cívky magnetů velkých fúzních reaktorů. Supravodivé magnety mají nulové ztráty, takže po zapnutí mohou běžet celé týdny. Ale vyrobit vhodný materiál se dlouho nedařilo. Výroba se vlastně rozběhla ve větším měřítku až v roce 2021 díky nové metodě v Rusku.
Samotný objev nového supravodiče tedy není vše, ani zvládnutí výrobní technologie není samozřejmost. Jde vlastně o úplně nový problém či spíš sadu problémů, které potřebují často úplně jiné řešení, než jaké používají vědci při výrobě svých laboratorních vzorků.
Problém řešení supravodivosti při vysokých teplotách je tedy velmi obtížný. Jako u každého jiného problému se ovšem pravidelně objevují lidé, kteří tvrdí, že našli řešení jednoduché. A někdy to dokonce mohou myslet upřímně… Tím jednoduchým řešením je míněn pochopitelně materiál, který dokáže vést proud beze ztrát i při vysokých teplotách.
Heslo „supravodič při pokojové teplotě“ na největší, tedy anglické Wikipedii obsahuje hned několik případů neprokázaných oznámení o objevu vysokoteplotních supravodičů jen z 21. století. A letos si můžeme přidat dva další. Každý je jiný, ale oba zajímavé.
Fotografie zachycují Meissnerův jev, tedy levitaci supravodiče v magnetickém poli. V daném případě je supravodič postupně ochlazen na svou kritickou teplotu, takže získá supravodivé vlastnosti, a pak se začne vznášet nad magnetem. Jev je způsoben tím, že supravodič obrazně „vytěsňuje“ magnetické pole ze svého objemu. Protože elektrický odpor supravodiče je nulový, zabraňují generované proudy v supravodiči průniku magnetického pole z magnetu v blízkosti supravodiče. Proudy, které ruší externí pole, produkují magnetické pole, které má obrácené póly vůči permanentnímu magnetu, což způsobí levitaci materiálu nad magnetem © Julien Bobroff, Frederic Bouquet LPS / Orsay, France
Známe zkratku!
Začněme tím aktuálnějším, přitom veřejnosti méně známým. Hlavní postavou tohoto příběhu je Ranga Dias z Rochesterské univerzity ve státě New York. Ten v posledních několika letech publikoval ve velkých a slavných vědeckých časopisech několik článků popisujících práce s exotickými supravodivými materiály.
V roce 2020 jeho skupina v článku pro slovutný časopis Nature oznámila, že vytvořila supravodivý materiál z uhlíku, síry a vodíku (CSH). Materiál byl v rámci pokusu umístěn mezi hroty dvou diamantů silou milionkrát převyšující atmosférický tlak. Díky tomu měl být ve výsledku supravodivý i při teplotách kolem 15 °C. A to nemělo být vše. Letos v březnu Diasův tým publikoval ještě úžasnější výsledek. Znovu v Nature, který je jedním ze dvou největších vědeckých časopisů světa, a tentokrát údajně po velmi důkladné, rok trvající kontrole výsledků odbornými editory.
Nová látka má vést proud bez odporu při teplotách 21 °C a tlaku kolem 1 GPa. Jde stále o velmi velký tlak (zhruba desetinásobek tlaku na dně Mariánského příkopu), ale výrazně menší než v předchozích experimentech. Materiál je sloučeninou vodíku a lutecia (patří mezi takzvané „kovy vzácných zemin“) s malou příměsí dusíku.
S podobnými materiály založenými na vodíku, nazývanými hydridy, experimentovala po přelomovém objevu v posledních letech řada týmů. Je to dů-sledek úspěchu skupiny Michaila Eremetse z Ústavu Maxe Plancka v německé Mohuči z roku 2015, která objevila supravodivost ve sloučenině vodíku a síry při teplotě −70 °C (203 K). V té době to byla rekordní hodnota.
Eremetsův materiál však vznikal za tlaku 145 GPa, což je 1 400 000× víc, než kolik činí tlak atmosférický, a zhruba srovnatelný s podmínkami ve středu Země. Od té doby vědci vytvořili hydridové supravodiče, které se čím dál víc přibližují provozu při pokojové teplotě, ale všechny fungují pouze za extrémních tlaků. Když Dias a Salamat v březnu publikovali svůj článek v časopise Nature, zdálo se, že udělali významný krok k materiálu, který by mohl najít praktické využití.
Materiál Diasovy skupiny byl ještě o něco exotičtější než původní směs vodíku a síry. Vznikal tak, že vědci tenkou vrstvu lutecia „louhovali“ celé dny ve směsi vodíku a dusíku při teplotách až kolem 200 °C. Výsledný vzorek mezi dvěma diamanty stlačili při tlaku přibližně 2 GPa. Pak experimentátoři postupně tlak snižovali a měřili vlastnosti vzorku mezi čelistmi svého „svěráku“.
Dias v té době nešetřil sebevědomím. Spolu s jedním kolegou z univerzity založili startup nazvaný Unearthly Materials (tedy „Mimozemské materiály“), který má supravodivou látku komercializovat. Což bylo mimochodem i důsledkem toho, že látku nechtěli posílat kolegům k ověření jejích vlastností. „Nebudeme tento materiál distribuovat s ohledem na patentové řízení a existující práva v oblasti ochrany duševního vlastnictví,“ uvedl Dias pro časopis Science.
Dias s kolegy také požádali o patent na materiál hydridu lutecia, což by jim bránilo v rozesílání vzorků. „Máme jasný a podrobný návod, jak naše vzorky vyrobit,“ řekl Dias. „Vzhledem k patentované povaze našich postupů a existujícím právům duševního vlastnictví nehodláme tento materiál distribuovat.“ Problém však vězel mimo jiné i v tom, že příprava nového materiálu nebyla triviální. Šlo o poměrně náročný experiment se zařízením, které má málokterá laboratoř.
Takhle by to nešlo
Jelikož je obor supravodičů historicky doprovázen velkou mírou skepse, výsledky Diasova týmu zveřejněné v roce 2020 vzbudily ve vědecké komunitě smíšené reakce. A i to malé nadšení opadlo, když si krátce po publikování několik odborníků všimlo nezvyklých hodnot v měřeních reakce materiálu na magnetické pole. Dias a jeho spolupracovník Ashkan Salamat, fyzik z Nevadské univerzity v Las Vegas, se tyto hodnoty pokusili vysvětlit prostřednictvím o rok později zveřejněných nezpracovaných dat v podobě 149stránkového dokumentu jako důsledek použité metody na potlačení magnetického šumu. Podle nich šlo v podstatě o důsledek toho, že museli měřit výsledky z extrémně malého vzorku materiálu. Museli nejprve „odečíst“ vlivy z okolí, což způsobilo ta podivná čísla.
To vše bylo v rozporu s postupem, který popsali v původním článku, a tak jej vydavatel v září 2022 stáhl. To v podstatě znamená, že redakce časopisu už nemá pocit, že by za výsledek mohla ručit svou pověstí.
Stížnosti navíc přibývaly. Některé kritické hlasy tvrdí, že autoři si prostě celou řadu měření snadno mohli úplně vymyslet. Podle jedné matematické analýzy například část výsledků ve studii měla vzniknout v počítačové simulaci a autoři je prý vydávají za výsledky z měření.
Neselhala jen matematika. Skupina z prestižního německého Ústavu Maxe Plancka pro chemii, jejíž členové v roce 2015 oznámili vůbec první případ supravodivosti ve sloučenině vodíku a jiného prvku, ztratila půl roku snahou zopakovat Diasovy výsledky. „Neuspěli jsme,“ řekl pro časopis Quanta vedoucí skupiny Mikhail Eremets. Když jeho tým syntetizoval CSH a vystavil látku vysokému tlaku, u některých vzorků sice supravodivost pozorovali, ale efekt přetrvával pouze při teplotách velmi hluboko pod bodem mrazu, a tedy výrazně nižších, než hlásili autoři.
Bylo tak trochu překvapením, že Nature vydal Diasovi a jeho kolegům další článek s popisem dalšího vysokoteplotního supravodiče. Řada kolegů z oboru od začátku dávala najevo, že je jen otázkou času, než bude i tato práce stažena — a měli pravdu.
Pozastavovali se zejména nad měřením elektrického odporu materiálu — tedy zcela zásadní součásti objevu nového supravodiče. Dias s kolegy provedli toto měření tak, že nebylo jasné, zda byl odpor skutečně nulový, nebo zda hodnoty vznikly důsledkem manipulace s daty, konkrétně odečtu signálu pozadí od klíčového grafu odporu. Podle kritiků odstraňovat pozadí v takovém případě není nutné.
V září se pak objevily informace, že 8 z 11 autorů článků požádalo hlavního autora, tedy Diase, aby byl článek stažen — tedy de facto, aby tvrzení o objevu supravodiče odvolal. „Jako spoluautoři výzkumu jsme toho názoru, že publikovaný text nevysvětluje přesně původ zkoumaných materiálů, průběh prováděných měření a použití protokolů pro zpracování dat,“ napsali tito výzkumníci. V podstatě tak dali najevo, že článek má celou řadu chyb. Redakce Nature jim nakonec dala za pravdu, když článek 7. listopadu letošního roku stáhla.
To ale není jediný Diasův problém. Na podzim letošního roku byl „vymazán“ ještě další jeho článek z dalšího velkého vědeckého časopisu Physical Review Letters. Redakce v něm našla stopy umělého vytváření experimentálních výsledků. A také se objevilo velmi důvěryhodné podezření, že Dias okopíroval od jiných autorů zhruba pětinu své disertační práce.
Diasův příběh se stále více zdá být příkladem skutečného vědeckého podvodu. Problémů je celá řada, navíc se pravidelně opakují v různých výsledcích, pod kterými jsou Dias a někteří další kolegové z jeho okolí podepsáni.
Supravodiče nepřitahují v první řadě podvodníky, nýbrž snílky. Ovšem i ti se mohou snadno mýlit.
Korejská pohádka
Dne 22. července se na internetovém serveru arXiv, kde fyzici „vyvěšují“ své práce pro kolegy a veřejnost předtím, než je vydají v nějakém odborném časopise, objevily dva články týmů korejských vědců popisující keramický materiál s kovovou příměsí, která má fungovat jako takzvaný supravodič i za běžných teplot a také tlaků.
Korejskou skupinou objevený materiál nazvaný LK-99 (podle zkratky autorů objevu a roku, kdy byl poprvé pozorován) tvořily především olovo, fosfor, kyslík a měď. Supravodivý měl být i při teplotách nad 100 °C.
O údajném objevu jsme už informovali v TT2023/12, tak ho zde jen stručně shrneme: autoři spekulovali, že příčinou supravodivosti je částečné nahrazení olova v krystalické mřížce mědí. Měď je velmi zjednodušeně řečeno o něco „menší“. Když tedy chemickou reakcí dokázali odebrat část atomů olova z materiálu a místo nich dosadit měď, celý materiál se doslova srazil. V měřeních autorů se jeho objem zmenšil o 0,5 %, což je v poměrech podobných jevů celkem vysoká hodnota.
Celý materiál je ale najednou doslova silně stlačený, protože prostě obsahuje trochu jiné „stavební díly“ než původně. Změna není tak veliká, aby se zhroutil, ale podle autorů by mohla stačit na to, aby se látka chovala jinak než za běžného stavu.
Následovalo několik týdnů horečnaté aktivity na sociálních sítích i ve vědeckých laboratořích. Na internetu se pochopitelně hlavně debatovalo a hádalo, v laboratořích na celém světě, včetně dvou českých, se celé týmy pokoušely materiál připravit a změřit jeho vlastnosti. Už proto, že práce korejského týmu totiž nebyla ve všech ohledech tak důkladná a podrobná, jak by si tak mimořádné tvrzení zasloužilo.
Během dalších 14 dní bylo jasno — a korejští autoři objevu neprospěli. Brzy se ukázalo, že supravodivost LK-99 je omyl, nedopatření dané tím, že materiál je pestrou směsí různých materiálů, které dohromady dávají poněkud matoucí obraz jejích vlastností.
Reakce, při níž se syntetizuje LK-99, používá nepříliš efektivní recept. Na každý jeden díl čistého LK-99 připadá 17 dílů mědi a 5 dílů síry. Tyto zbytky vedou ke vzniku četných nečistot, zejména sulfidu měďnatého (Cu2S). Jeho přítomnost spolehlivě vysvětluje náhlý pokles odporu při teplotě 104,8 °C, který korejská skupina naměřila. Sulfid měďnatý ovšem není supravodič, a proto odpor materiálu v měřeních většiny týmů nikdy nebyl nulový (s výjimkou jednoho výsledku za extrémně nízké teploty).
Materiál sice levitoval nad magnety, což je další projev supravodiče, ale to bylo dáno tím, že některé kousky obsahovaly malé příměsi železa. Ty způsobovaly, že reagoval na vnější magnetické pole.
V polovině srpna pak tým z Ústavu Maxe Plancka pro výzkum pevných látek v německém Stuttgartu dokázal jako první vytvořit „čistý“ krystal LK-99. Skupina použila jinou metodu přípravy materiálu, ve které se obešla bez síry, a tedy vzniku příměsí.
Výsledkem byl průhledný fialový krystal — čistý LK-99 neboli Pb8.8Cu1,2P6O25. Zbavený nečistot není LK-99 supravodičem, ale izolantem s odporem v řádech milionů ohmů, tedy příliš vysokým na to, aby bylo možné provést standardní test vodivosti.
Pátrání tedy bude pokračovat. Někteří vědci se obávají, že rozruch kolem LK-99 i Diasovy práce odradí investice do výzkumu a studenty od toho, aby se oblasti s pošramocenou pověstí věnovali. Jiní si naopak myslí, že neexistuje špatná reklama a státní i soukromí investoři alespoň budou mít o problematice vyšší povědomí.
Všichni se také shodují v tom, že na Diasův pravděpodobný podvod i poněkud trapný omyl korejské skupiny se přišlo rychle. Především v případě letošního korejského objevu byla reakce vědecké komunity téměř bezprostřední. O jiných domnělých supravodičích se debatovalo roky a některé odborné debaty nejsou uzavřeny dodnes. Možná je to znamení toho, že obor dozrává, takže se snad máme ještě na co těšit.