TYGODNIK TVP: „W historycznym osiągnięciu naukowcy z University of Rochester stworzyli materiał nadprzewodzący w temperaturze i ciśnieniu wystarczająco niskim do zastosowań praktycznych” – podały w marcu wszystkie najpoważniejsze tytuły prasowe. Brzmi nieco jak „synteza jądrowa na zimno”, czyli z gatunku naukowych kaczek dziennikarskich. Jaka jest zatem prawda: stworzyli czy nie stworzyli?

ALEKSANDER WITTLIN: Tak piszą na łamach prestiżowego czasopisma naukowego „Nature”, ale trzy lata temu też na tych samych łamach pisali, a potem artykuł został wycofany przez redakcję. Sprawa jest skomplikowana, a badania nad nadprzewodnictwem w temperaturze pokojowej to bardzo trudne współzawodnictwo o Nagrodę Nobla z fizyki. Plus oczywiście możliwe do zarobienia grube miliardy dolarów, bo dzięki temu odkryciu takie byłyby oszczędności na przesyle energii elektrycznej. Teraz bowiem w tych wszystkich kablach wiszących nad naszymi głowami lub biegnących pod naszymi stopami stosujemy przewodniki, a nie nadprzewodniki, zaś straty energii powstające w wyniku ich grzania się wynoszą jakieś 30 proc. całej wytwarzanej mocy. Warto więc nieco spokojniej się temu problemowi przyjrzeć.

Zacznijmy od metali. Na świecie istnieją ciała stałe zwane metalami, jak aluminium, niob, złoto, cyna, ołów i tak dalej – w układzie okresowym jest ich wiele. Mają różne wspaniałe właściwości, m.in. przewodzą prąd elektryczny, co wiemy od czasów Aleksandra Volty, czyli przełomu wieków XVIII i XIX. To były odkrycia, które zaczęły współczesną cywilizację. Wszystko dookoła nas, od ulicznych latarni po komputery oraz sprzęt AGD wykorzystuje przepływ prądu elektrycznego i związane z tym zjawiska oraz jest przezeń zasilane. Że to podstawa naszej cywilizacji boleśnie przekonali się nasi ukraińscy sąsiedzi, gdy ich sieć energetyczna została barbarzyńsko zaatakowana przez zamachy powietrzne Federacji Rosyjskiej. Nawet w pierwszym świecie pojawił się tej zimy lęk, że zmarzniemy w naszych domach.

Czyli metale są przewodnikami. To czym są nadprzewodniki, po czym je poznać?

Gdy przez kawałek drutu metalowego przepuścimy prąd elektryczny (dziś wiemy, że to uporządkowany ruch elektronów), to ten drut się nagrzewa. Jeśli przepuścimy dostatecznie dużo prądu, a drut będzie dostatecznie cienki, to aż go to rozżarzy – będzie zatem świecił, co jest podstawą działania żarówek obmyślonych przez Thomasa Edisona. To jest w czystej postaci wykorzystanie zjawiska oporu elektrycznego w kawałku drutu wolframowego. Gdy prąd elektryczny płynie, wytwarza też pole magnetyczne i mają miejsce inne zjawiska, z których korzystamy na co dzień. Georg Ohm, młodszy o ćwierć wieku od Volty, badał to zjawisko i ustalił zależność między spadkiem napięcia powstającego pomiędzy dwoma kawałkami drutu – gdzie płynie prąd o konkretnym natężeniu – a właściwością samego tego drutu – materiału, z którego jest zrobiony – zwaną opornością właściwą. To pozwalało policzyć, jak się ten drut grzeje i czy nie za bardzo.

ODWIEDŹ I POLUB NAS
Zatem jedne metale mają większą oporność, a inne mniejszą.

Stopniowo fizycy zrozumieli, skąd się to bierze. Co więcej ustalili, że owa oporność właściwa zależy od temperatury: gdy chłodzimy drut, opór spada – czyli przy tym samym natężeniu prądu drut mniej się grzeje i spadek napięcia jest mniejszy. Mniejsze są zatem straty związane z przesyłaniem energii elektrycznej kablami na odległość. Drut metalowy lepiej przewodzi prąd, gdy temperatura otoczenia spada (to dokładnie odwrotnie, niż w przypadku tzw. półprzewodników). Już w XIX wieku wiedziano, że metale będące w temperaturze pokojowej są cieczą, jak rtęć, przy obniżaniu temperatury stają się ciałem stałym, a metale jako ciała stałe mają postać krystaliczną. Żeby w ciecz zmieniły się metale mające w temperaturze pokojowej postać stałą, trzeba je podgrzać do kilkuset lub nawet kilku tysięcy stopni Celsjusza. Pod koniec XIX wieku polscy fizycy, Karol Olszewski i jego współpracownicy z Uniwersytetu Jagiellońskiego, zdołali wytwarzać bardzo niskie temperatury, znacznie niższe niż obserwowane na zewnątrz zimą, czyli niż jakieś -20 do -50 st. C.

Oni skraplali gazy.

Oni wykorzystywali termodynamikę, czyli rozprężali lub sprężali gaz w zależności od tego, czy on sam mógł się ochłodzić. Odkryli, że niektóre gazy – przy takich prymitywnych lodówkach, jakie oni wtedy umieli zrobić – się skraplały i stawały się cieczami bardzo zimnymi. Skroplili powietrze (mieszaninę azotu i tlenu) w -200 st. C. By jeszcze bardziej obniżyć temperaturę, trzeba było skorzystać z innych gazów dających się ówczesnymi technikami pozyskać z natury: wodoru lub helu. Hel udało się skroplić Holendrowi, Heike Kamerlinghowi Onnesowi, na samym początku XX w. Tym samym uzyskał najniższą temperaturę dostępną wtedy na świecie: -269 st. C (4 kelwiny). Dzięki temu mógł eksperymentalnie schładzać głęboko różne substancje, np. druty, w tym zrobione z rtęci. Obserwował stałą zależność: w miarę obniżania temperatury, oporność dowolnych metali malała, więc przewodziły one coraz lepiej prąd, ale na samym dole temperatur to już niewiele się zmieniało. Natomiast w przypadku drutu z rtęci w temperaturze ok. -269,15 st. C oporność spadała aż do zera. No i za to – czyli odkrycie nadprzewodnictwa – Kamerlingh Onnes dostał jedną z pierwszych nagród Nobla z fizyki, w roku 1913.

Czyli możemy stosować różne triki, aby zmniejszać opór przewodników elektrycznych, ale jest taki cud jak nadprzewodnictwo – tylko by z niego korzystać, to trzeba schładzać bardzo szczególne metale.

To jest trochę bardziej skomplikowane, gdy jednak metal jest dostatecznie czysty, a temperatura dostatecznie niska, to każdy z nich będzie wykazywać nadprzewodnictwo. Tylko ciężko jest uzyskać ów „dostatecznie czysty metal”, a nawet tę dostatecznie niską temperaturę. Istnieje temperatura zera bezwzględnego, najniższa osiągalna i to jest -273,15 st. C (czyli 0 kelwinów). Daje się dziś uzyskać temperatury chłodzenia metalu o jedną milionową stopnia Celsjusza wyższe od tego zera bezwzględnego.

Czyli fajne zjawisko, można się pobawić w laboratorium, ale w życiu ciężko sobie wyobrazić tubę z ciekłym helem dokoła naszych kabli elektrycznych.

Istotnie trudno, ale nie jest to konieczne, by z nadprzewodnictwa już dziś korzystać. Odkryto bowiem mnóstwo innych przedziwnych i fascynujących własności nadprzewodników. Na przykład, że jeśli uda się pobudzić prąd w pętli z drutu będącego w stanie nadprzewodzącym, to prąd może w nieskończoność płynąć w tym „kółku” i to bez żadnych strat, ponieważ nie ma oporu elektrycznego. Dziś w każdym większym szpitalu jest urządzenie, które działa w oparciu o tę zasadę, a nazywa się tomograf komputerowy (NMRi). Pacjent wjeżdża do takiej rury, gdzie pole magnetyczne go „prześwietla” w kolejnych płaszczyznach.

To działa tak: pole magnetyczne pobudza jądra atomów, z których zbudowane jest ciało człowieka, natomiast obecne w nim różne substancje – czyli różne tkanki ciała – mają inną zdolność do pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego (w tym wypadku fal radiowych). Dzięki temu uzyskujemy serię zdjęć naszego wnętrza „pokrojonego na plasterki”. Ta rura to elektromagnes nadprzewodzący (cewka, w której wywołano stosownie duży prąd), umieszczony w zbiorniku z ciekłym helem. Przemysł osiągnął dziś tak fantastyczne umiejętności budowania takich magnesów do konstrukcji tomografów komputerowych, że odparowanie ciekłego helu z bańki okrywającej cewkę jest bardzo powolne, więc do szpitala raz na pół roku przyjeżdża firma i po prostu doładowuje system helem. Od odkrycia nadprzewodnictwa do zastosowania go w szpitalach minęło 70 lat.

A inne zastosowania?

Wszędzie tam, gdzie potrzebujemy silnego pola magnetycznego i ma być tanio – korzysta się z nadprzewodnictwa. Największą instalacją nadprzewodzącą na świecie, którą się chłodzi do niezbędnych temperatur ciekłym helem, jest wielki zderzacz hadronów koło Genewy na pograniczu szwajcarsko-francuskim. Tam jest pierścień długości dwudziestu kilku kilometrów, gdzie protony są zderzane ze sobą i to jest narzędzie pracy fizyków cząstek elementarnych. Żeby te protony chciały się kręcić i bardzo przyspieszać, potrzeba gigantycznych magnesów nadprzewodzących, aby nie trzeba ich było zasilać prądem, tylko od czasu do czasu dopompowywać hel do specjalnej chłodnicy. Niestety sieć chłodzona tam helem, nie połączyłaby nawet Warszawy i Góry Kalwarii – 30 kilometrów. Kłopot w tym, że kable się grzeją i tracimy na tym 30 proc. energii – na razie ten problem pozostaje nierozwiązany.

Kamerlingh Onnes i jego następcy nie mieli pojęcia, dlaczego tak się dzieje, choć przecież długie lata badali, w jakiej temperaturze różne metale stają się nadprzewodnikami (aż dotarli do tzw. temperatury krytycznej wynoszącej ok. -250 do -240 st. C, bo gdy ją podnieść wyżej, nadprzewodnictwo ustaje). Co powoduje, że normalnie – w temperaturze pokojowej – elektrony w metalu nie mogą się przemieszczać w sposób niezakłócony i zderzają się, w czego efekcie obserwujemy ciepło tych zderzeń, czyli opór elektryczny? Jak wspomniałem, metal jest kryształem, a kryształ to trójwymiarowe uporządkowanie atomów – taka siatka z węzłami, którą można zobaczyć przez specjalny mikroskop. Okazuje się, że ta sieć krystaliczna w temperaturze wyższej niż zero absolutne zawsze drga. To są drgania cieplne, zatem im wyższa temperatura, tym większe. Gdy więc prąd płynie, elektrony zderzają się z tymi drgającymi sieciami krystalicznymi, co zakłóca ich ruch. Tak możemy sobie wyobrazić opór elektryczny. Stąd im bardziej chłodzimy metal, tym mniej drga jego sieć krystaliczna i w efekcie tym niższy opór. To wykorzystują producenci sprzętu dla hobbystów-audiofilów, amatorów wyśrubowanej jakości muzyki.

Takich, co to wzmacniacze kupują jedynie lampowe, a nie tranzystorowe.

Aby im te głośniki i wzmacniacze jak najwierniej podawały odtwarzaną muzykę, obniżają oporność kabli łączących ten cały sprzęt ze sobą (dobrych kilka – kilkanaście metrów), chłodząc je wodą. Normalnie kabel jest instalowany do rurki, w której jest stały przepływ bieżącej wody, jak w chłodnicy. Gdy woda podrożała, to jest dość kosztowne, ale czego nie robią melomani!

Temperatura zatem musiała być niska od momentu odkrycia nadprzewodnictwa, lecz teoria nadprzewodnictwa (ta „krystaliczna”, ale ujęta mniej popularnie) – która przynajmniej dla pewnej klasy nadprzewodników wyjaśniła, jak to działa i dlaczego – powstała dopiero w połowie lat 50. XX wieku. Powstała w wyniku niezwykłego postępu zrozumienia, jak działa świat w skali mikro, czyli mechaniki kwantowej ciała stałego. Nie bez wpływu na to pozostawało rozwinięcie możliwości eksperymentalnych w laboratoriach pracujących na rzecz wojska podczas i po II wojnie światowej, głównie w USA, Wielkiej Brytanii, a później w ZSRR. Wykonano wtedy wiele doświadczeń, które pozwoliły zrozumieć, jakie zjawiska w metalu są związane z nadprzewodnictwem. Na przykład nauczono się separować izotopy.

Co to jest? Otóż każdy pierwiastek ma określoną liczbę protonów w jądrze atomowym: wodór ma jeden, hel ma dwa itd. W jądrze bywają często także neutrony. Gdy w dwóch jądrach metalu mamy tę samą liczbę protonów, a inną neutronów, to to są izotopy tego samego metalu (które wcale nie muszą być radioaktywne, mogą sobie trwać i się nie rozpadać). Skoro neutron waży mniej więcej tyle, co proton, to jądra, które mają więcej neutronów, są cięższe. Choć zatem dwa druty wykonane z każdego z takich izotopów będą miały dokładnie takie same własności chemiczne, to wcale nie będą miały takiej samej temperatury krytycznej dla nadprzewodnictwa! A jak coś zależy od masy atomu, to znaczy, że zależy od częstotliwości wspomnianych wcześniej drgań atomów w sieci krystalicznej (je się nazywa fononami).

Ja bym sobie wyobrażała, że im cięższy izotop, tym bardziej nadprzewodzi…

Ano właśnie odwrotnie. By jednak zrozumieć kwantowe zjawiska związane z nadprzewodnictwem, to trzeba najpierw skończyć ze dwa lata fizyki na uniwersytecie. W skrócie można to ująć tak: po obniżeniu temperatury metalu, elektronom opłaca się połączyć w pary. Do tego wykorzystują one właśnie drgania sieci krystalicznej. Powstała w ten sposób para elektronów ma niższą energię, niż suma energii dwóch pojedynczych elektronów. Para jest rozległa, między jej elektronami jest duża odległość, więc przekazują sobie informacje za pomocą owych drgań sieci krystalicznej. W pewnym momencie wszystkie takie pary mogą się znaleźć w tym samym stanie kwantowym i się skondensować – czyli zachowywać się jak ciecz, która przepływa bez żadnego oporu. Poruszają się w takim jakby żelu, żadnego pola elektrycznego nie odczuwają i to jest kwantowy stan materii, zwany kondensatem. Ma on mnóstwo ciekawych własności.

Wspomnę o jednej, którą odkryto w latach 30. XX w., a która się nazywa efektem Meissnera. I to jest znacznie głębsze – a przy tym widowiskowe – zjawisko, niż sam spadek oporu elektrycznego do zera. Nadprzewodnik bowiem, po przejściu do stanu nadprzewodzącego, wypycha ze swej objętości pole magnetyczne. Gdy weźmiemy kulkę metalu i umieścimy ją między biegunami magnesu, to ona – o ile nie jest z żelaza ani niklu, tylko np. z aluminium czy innego paramagnetyku – będzie się zachowywała tak, jakby tego pola magnetycznego nie było. Gdy obniżymy temperaturę tej kulki poniżej krytycznej i przejdzie ona w fazę nadprzewodzącą, kondensat (de facto płynący prąd) wypchnie z jej wnętrza pole magnetyczne, nie będzie go tam. Konsekwencje tego są spektakularne i często pokazywane – warto zatem chodzić na rozmaite festiwale nauki. Gdy bowiem położymy talerzyk z nadprzewodnika na magnesie, a następnie schłodzimy talerzyk poniżej temperatury krytycznej, to on się uniesie i będzie lewitował.

To taka lewitacja zgodna z prawami fizyki!

Jak najbardziej. Będzie lewitował, gdyż wypchnął z siebie pole magnetyczne i ta siła zrównoważyła grawitację. Jak jednak wspomniałem, dopiero ćwierć wieku później stworzono teorię, która wyjaśniła, jak talerzyki z metalu-nadprzewodnika mogą lewitować. Że tu najważniejsze jest oddziaływanie par elektronów z siecią krystaliczną metalu. Zawdzięczamy to Johnowi Bardeenowi, Leonowi Cooperowi i Johnowi Schriefferowi (od pierwszych liter ich nazwisk nazywa się tą teorię BCS), którzy dostali za to Nagrodę Nobla w 1972 roku. Sformułowano również wzór, który pozwala określić temperaturę krytyczną. Kłopot z tym taki, że we wzorze są dwie wielkości, z których jedną z grubsza łatwo poznać (średnia częstość drgań atomów w konkretnym krysztale, tzw. temperatura Debye’a), a drugą niezmiernie trudno policzyć. Teoria BCS miała jedną kolosalną zaletę: przewidywała kilka zjawisk w nadprzewodnikach, których wtedy, w latach 50. XX w., nie można było pokazać eksperymentalnie, a potem się dało. Co wskazuje, że ona ma sens i w metalach tak nadprzewodnictwo działa.

Dobra teoria naukowa powinna skutecznie przewidywać. Musimy jednak zacząć nadprzewodzić w coraz wyższych temperaturach.

Już wtedy zadawano sobie to pytanie, bo chodzi o ciężkie pieniądze i nagrodę Nobla. W latach 50. czy 60. XX wieku większość ludzi straciła jednak tym zainteresowanie, bo ileż można szukać takiego „świętego Graala” nadprzewodnictwa w temperaturach wyższych niż -250 st. C?! Na posterunku zostali najwierniejsi i w kilku laboratoriach na świecie ta temperatura krytyczna z roku na rok rosła, ale bardzo powolutku. Potem pojawiły się bardziej egzotyczne pomysły, tzw. fazy Chevrela – metale wieloskładnikowe, które zawierały molibden, dały szansę na temperaturę krytyczną w okolicach -243 st. C, ale były trudne w syntezie. Zresztą od -243 do temperatury pokojowej daleko. Co jakiś czas organizowano jednak konferencje fizyków nadal zaangażowanych w poszukiwania, bo rozwiązanie problemu nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej jest po prostu kluczowe dla naszej cywilizacji. Jest przecież oparta na elektryczności i jej przesyłaniu do odbiorców na duże odległości, a cierpi na coraz poważniejsze niedostatki energii do produkcji, do mieszkań, do transportu, w dodatku zmuszona jest rezygnować z niektórych jej zbyt emisyjnych źródeł.

Jak można podnieść częstość drgań sieci, bo to byłby sposób na podniesienie temperatury krytycznej? Jaki pierwiastek jest najlżejszy? Wodór. Ma jeden elektron i jeden proton tysiąc kilkadziesiąt razy cięższy od tego elektronu. Pomysł kolejny i rewolucyjny był zatem, by zrobić „metaliczny wodór”. Gdybyśmy umieli zrobić metal z protonów, to jego temperatura krytyczna (i nadprzewodnictwo) byłaby w okolicach pokojowej. To była idea Neila Ashcrofta w latach 60. XX w. Z gazu trzeba by zrobić ciało stałe, czyli go ścisnąć. To jest umiejętność nabywana przez fizyków od połowy XVIII wieku, czymże jest bowiem maszyna parowa, jak nie gazem pod ciśnieniem? Termodynamika się szybko rozwijała na potrzeby przemysłu w erze pary i elektryczności (od pomp do usuwania wody z kopalń, przez lokomotywy, po elektrownie parowe). To są jednak zupełnie inne skale ciśnień. To co by tu było potrzebne, rozwinęło się dopiero niedawno. Próby realizacji tego marzenia podjęło się tylko kilka laboratoriów, bo wodór ma i to do siebie, że wybucha w powietrzu… W dodatku przenika metale, ciężko zatem uszczelnić układ, skonstruować stosowne urządzenie. Współczesna technika ściskania wodoru i podobnych rzeczy używa diamentów, bo jako jedyne są dostatecznie twarde, by wytrzymać tak potworne ciśnienia. No ale kosztują, a im są większe, tym kosztują więcej. I jeszcze muszą być – niczym w tłokach – oszlifowane na idealnie płasko.

I pewnie nadal byśmy ściskali wodór, gdyby koło roku 1986 nie odkryto nagle „nadprzewodników wysokotemperaturowych” pod postacią obskurnych substancji składających się m.in. z tlenków różnych metali, które bez żadnego gigantycznego ciśnienia zewnętrznego osiągają temperaturę krytyczną w okolicach -140 do nawet - 110 st. C, a nie -250 stopni. Połowa drogi do temperatury pokojowej od zera absolutnego. Zostało pytanie: jak pokonać tę drugą połowę? Spora część fizyki materii skondensowanej tym właśnie się zajęła. Bo mówiąc szczerze – znowu się stało niejasne, jak to w ogóle działa, według mechanizmu BSC nie bardzo może.

Od tamtego czasu odkryto mnóstwo nowych klas nadprzewodników, ale utknęliśmy na poziomie owych -110 st. C i ani rusz do przodu. Cała wspomniana gałąź fizyki musiała ulec rewizji, bo istniały np. i takie poglądy, że magnetyzm (takich związków, jak żelazo) jest „wrogiem nadprzewodnictwa”. A nieprawda. Na początku naszego wieku odkryto nadprzewodnictwo związków żelaza: arsenków, tellurków, selenków. I znów – nie ma zbyt głębokiego pojęcia, jaki tym rządzi mechanizm.

Czyli co, do jednego worka z napisem „nadprzewodnictwo” wrzucamy w istocie bardzo różne fenomeny?

To jest dzisiaj aktywne pole badań, czyli mówiąc po ludzku: my tego nie wiemy. W międzyczasie rozwinęła się inna dziedzina, gdzie prowadzono doświadczenia pod ultrawysokimi ciśnieniami w kowadłach diamentowych – napędził je sen o „metalicznym wodorze”. Przy czym dziś między dwoma diamentami o średnicy od 20 mikronów do pół milimetra ściskamy rozmaite substancje: gazy, ciecze, ciała stałe. Nauczono się schładzać takie układy do bardzo niskich temperatur, umieszczać w polu magnetycznym i jednocześnie mierzyć rozpraszanie promieni Roentgena, żeby identyfikować, co za substancje w tym ścisku powstają. Gigantyczne możliwości techniczne, zatem podkusiło, by wrócić do ściskania wodoru. Do tej pory w „Science” czy „Nature” ukazało się kilka prac, które stwierdzały, że „mamy metaliczny wodór”. Wszystkie zostały wycofane przez autorów po jakimś czasie. To się po prostu strasznie trudno robi, bo ciśnienia są z gatunku fantastycznych.

Dekadę temu zatem pojawił się inny pomysł: uzyskajmy coś, co zawiera bardzo dużo wodoru, ale również jakieś inne atomy, które będą jakby klatką zamykającą jak najwięcej wodorów blisko siebie. I tu się już pojawia wspomniana na początku praca z „Nature”, pochodząca z Uniwersytetu Rochester, czyli ściskanie wodorków metali. Tak zwane metale ziem rzadkich, choć wcale nie są takie rzadkie, są na dole układu okresowego i zaczynają się od lantanu a kończą na lutecie. Wśród nich są takie pierwiastki, jak europ, dyspros, erb czy terb – wszystkie mają dużo elektronów. Zatem łatwo do nich „przyczepić” sporo wodorów, które są dodatnio naładowanymi protonami. To jest krystalochemia. Na świecie istnieje kilka laboratoriów, które próbują uzyskać wysoką temperaturę krytyczną dla tych związków, m. in. Instytut Chemii Maxa Plancka w Moguncji, Instytut Chemii Fizycznej Ciała Stałego Maxa Plancka w Dreźnie, laboratoria na Uniwersytecie Harvarda, w Rochester, Pekinie i kilku innych miejscach.

Tak zmasowane poszukiwania powinny dać efekt.

Wyniki są, bo dla tych absolutnie mikroskopijnych ilości wodorków metali ziem rzadkich uzyskują temperatury do ok. -60 st. C. Czyli połowa tej drugiej połowy drogi została pokonana. Obserwowane wady procesu: to nadal nie jest temperatura pokojowa i nadal potrzebujemy ekstremalnych ciśnień.

Nadzieją jest znalezienie substancji, która po ściśnięciu stanie się stabilna – czyli zostanie metalem, nawet po ustaniu ciśnienia. Łatwiej jest jednak substancję ekstremalnie ścisnąć, niż zademonstrować, że ona jest w tym stanie nadprzewodnikiem. Trzeba bowiem zmierzyć opór elektryczny i on ma być zerowy, a ponadto zaobserwować wypchniecie pola magnetycznego, czyli „lewitujący talerzyk” Meissnera. A to wszystko zachodzi w urządzeniu eksperymentalnym wielkości tubki pasty do zębów, prawie w całości metalowym, aby wytrzymało miażdżące ciśnienia. Do tego ma ono mnóstwo kabli i dziurki, żeby zjawiska zachodzące w środku można było podświetlić i sfotografować oraz prześwietlić promieniami Roentgena, które pokażą strukturę substancji powstałych ze ściskanych substratów. Wszystko jest umieszczone w urządzeniu utrzymującym niskie temperatury, tzw. kriostacie. W środku tubki mamy dwa diamenty i między nimi cieniutki blaszany pierścień, w jego dziurce umieszczamy mikroskopijną ilość badanej substancji i ściskamy. A perspektywą wynalazku jest nagroda Nobla. Komentarz dowcipny, który ciśnie się na usta to „No pressure!”.

Szaleńcza trudność polega na próbie pomiaru namagnesowania tej próbki. Idea jest prosta, ale mikrodruciki między diamentami urywają się przy ściskaniu lub zwierają. Jak się zewrą, to oporność będzie zero, no ale nie o taki wynik zero chodzi. Jak się urwą, to oporność będzie nieskończona. I trzeba zaczynać od początku. A wtedy diament może się rozpryśnie na kawałeczki… Ostatecznie zostaje zmierzenie namagnesowania komory z próbką w warunkach eksperymentalnych, a potem tej samej komory bez próbki. I potem trzeba wykazać, że maleńka różnica między uzyskanymi wartościami nie jest błędem pomiarowym czy szumem, tylko sygnałem naszej próbki.

No to bardzo trudno jest przekonać resztę świata, że „mamy to!”.

Grupa Rangi Diasa na Uniwersytecie w Rochester w USA w 2020 roku opublikowała w „Nature” pracę dowodzącą, że mają nadprzewodnictwo w temperaturze bliskiej pokojowej i podała wyniki, w tym te pomiary namagnesowania. Jeden z amerykańskich fizyków, teoretyk nadprzewodnictw Jorge Hirsch z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, poprosił autorów i redakcję o oryginalne wyniki z przyrządów pomiarowych. Po analizie i serii seminariów dla specjalistów z całego świata opublikował wraz ze współpracownikami artykuł wskazujący, że to co grupa z Rochester pokazała, to nie są wyniki z aparatury pomiarowej, tylko „dopasowanie”. A to nie jest to samo – tu autorzy wiedzą jak jest i po grzybobraniu wybierają z koszyczka same prawdziwki, które to mają pokazać.

Dyskusja wokół tego trwała długo i miała kilka dramatycznych spięć, np. najwyższej klasy specjaliści z innych ośrodków godzinami rozdzierali na seminariach na strzępy autorów z Rochester. Szef laboratorium niemieckiego, który miał wielki wpływ na metodologię w tej dziedzinie wstał i oświadczył, że oni próbowali powtórzyć doświadczenie z Rochester i nie dostali nadprzewodnictwa. Efekt końcowy był taki, że „Nature” tę pracę wycofała. Autorzy natomiast do dziś twierdzą, że zostali skrzywdzeni, bo praca była prawdziwa i przedstawili nową jej wersję. Kłopot w tym, że w niej pojawiły się inne wyniki niż poprzednio. A zatem to nie jest ta sama praca z poprawioną interpretacją, tylko inna praca.

W tych najbardziej zaawansowanych, ale przez to i ryzykownych doświadczeniach, istotna jest walka o pierwszeństwo. I teraz ten zespół badawczy po kilku latach ponownie wysyła do „Nature” pracę, ale nową, o innym nadprzewodniku?

Właśnie na tym polega sensacja. Laboratorium z Uniwersytetu w Rochester, na północy stanu Nowy York nad jeziorem Ontario, w mieście będącym siedzibą firmy Kodak i najnowocześniejszego amerykańskiego przemysłu optycznego, skutecznie opublikowało w „Nature” z datą 8 marca 2023 nową pracę. Poprzednio to były wodorki erbu oraz „związek, który zawierał wodór, siarkę i węgiel” –pół chemii organicznej można tak opisać. Na razie mamy raczej przesłankę niż pewność, że ten nowy nadprzewodnik to może być odkrycie, bowiem jeszcze nikt z innych laboratoriów nie potwierdził tych wyników. Autorzy twierdzą, że uzyskali nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, pokazują bardzo dużo wyników doświadczalnych, natomiast nie powiedzieli szczegółowo, jak zrobili próbkę, a to wszystko jest przedmiotem rozdrapywania przez konkurencję.

Z grubsza zrobili tak: nadprzewodnik powstawał podczas ściskania w komorze diamentowej, bo wielu z tych związków nie daje się uzyskać w warunkach normalnego ciśnienia i temperatury. Taki zestaw substratów ściśniętych w komorze jest naświetlany momentalnie wiązką laserową, jakby spiekany. Autorzy mają nadzieję, że głównym produktem tej reakcji jest pożądany przez nich związek, bo powstaje też w niej mnóstwo innych. Mikrofotografie tego, co znajduje się między diamentami, nie wyglądają szczególnie apetycznie: rozmazane plamy nadpalonego czegoś. Na szczęście rozpraszanie promieni Roentgena jest w stanie wykazać, że powstaje tam m.in. kryształek o pożądanej strukturze. Tym razem „świętym Graalem” jest wodorek lutetu, czyli najrzadszego spośród metali ziem rzadkich, który jednocześnie charakteryzuje największa gęstość. Do tego jest trochę wodoru i domieszka azotu.



Walczymy jednak o coś, co miałoby być nową technologią do masowego globalnego zastosowania, a nie o mikroskopijną ilość substancji, która się jakoś zachowała w urządzeniu wielkości tubki pasty do zębów…

Autorzy tej najnowszej pracy dokładnego składu swego nadprzewodnika nie podają, bo jak oświadczyli, zakładają firmę i będą to patentować. Podobnie było z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym w latach 80. XX w. Bo to wszystko może mieć wartość przemysłową i handlową. A ponieważ takie rzeczy leżą i czekają na swoje patenty, to nie ma konieczności ani możliwości podania szczegółów w publikacji. Co więcej, jak głosi anegdota, w którejś z tego typu prac w latach 80. podano przez pomyłkę czy celowo błędny wzór chemiczny zastosowanego związku, a informacja o tych wynikach jakimś cudem rozeszła się wśród specjalistów przed publikacją. Konkurenci zatem zsyntetyzowali ów związek z błędną formułą, a on też nadprzewodził i to w tej samej temperaturze krytycznej. W tym teatrze już wszystko było grane. A „Nature” zdecydowała się na publikację mimo tej poprzedniej historii z wycofaniem pracy tych samych autorów. Być może też dlatego, iż jako komercyjne czasopismo naukowe żyje z tego, że „sprzedaje” informacje do mediów, zaś nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej i w „New York Times” zrobi czołówkę, i w „Economiście”.

W tydzień od opublikowania tego nowego artykułu w „Nature”, w repozytorium pre-printów prac złożonych do czasopism naukowych udostępnianych za darmo, w dziale poświęconym nadprzewodnictwu pojawiło się już kilka prac ludzi, którzy zsyntetyzowali rozmaite wodorki lutetu. Zmierzyli ich namagnesowanie od temperatury zera bezwzględnego po 130 st. C na plusie w rozmaitych ciśnieniach i twierdzą, że nadprzewodnictwa tam nie widzą.

Problem jest zatem dobrze określony, a pytanie jest proste: czy istnieje nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej? Jedynym sposobem odpowiedzi jest pokazanie go i dlatego ten wyścig trwa. Wydaje się, że nie jest daleko, ale zrozumienie przyrody jest fascynujące i zarazem bardzo trudne. W dodatku w tle są potencjalne gigantyczne konsekwencje dla globalnej ekonomii i dalszych losów naszej cywilizacji, że o Noblu z fizyki nie wspomnę. Pozostańmy optymistami.

– rozmawiała Magdalena Kawalec-Segond

TYGODNIK TVP, ul. Woronicza 17, 00-999 Warszawa. Redakcja i autorzy

Dr hab. Aleksander Wittlin jest fizykiem, pracownikiem naukowym Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Nadprzewodnictwem zajmuje się od ponad trzydziestu lat. Był do niedawna profesorem na Wydziale Nauk Matematyczno-Przyrodniczych Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego, a wcześniej pracownikiem naukowym Instytutu Matematycznego PAN. W latach 2006-2010 współtworzył ekspozycję Centrum Nauki Kopernik.

Postscriptum:

W momencie publikacji wywiadu, w prasie naukowej pojawiły się doniesienia o oskarżeniach szefa grupy z Uniwersytetu Rochester, prof. Rangi Diasa, o plagiat doktoratu. Jak doniesiono w „Nature” z 13 kwietnia 2023, około jedna piąta jego pracy to kopie fragmentów z 17 innych źródeł. Sprawa ta będzie z pewnością wnikliwie badana.