| |
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA, IČO: 26551772, ISSN: 1214-1674,
Číslo 22 (vyšlo 2. června), ročník 1 (2003)
(c) Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
Email: bulletin@aldebaran.cz
 |
22/2003 |
 |
|
Jan Pašek: Může být diamant supravodivý za pokojové teploty?
 
Vysokoteplotní supravodivost probíhající za pokojové teploty je snem fyziků
mnoha generací. Vlastnit materiály s nulovým odporem při pokojové teplotě by
znamenalo revoluci v elektronice. Samotný jev supravodivosti byl objeven již
v roce 1911. Kammerling-Onnes detekoval supravodivé vlastnosti u rtuti ochlazené
pod teplotu 4.5 K. S objevem nových supravodivých materiálů se
hranice kritické teploty pro supravodivost velmi pomalu zvyšovala až na hodnotu
23 K. K prvnímu většímu průlomu došlo v roce 1986, kdy byly objeveny speciální
keramické materiály s teplotou přechodu do supravodivé fáze kolem 150 K. Tyto
materiály se stanou supravodivými při ponoření do relativně snadno
dostupného kapalného dusíku. Obrovské nadšení postupně ochladlo
pod tíhou technických problémů.
Johan F. Prins z Pretorijské university v Jižní Africe pravděpodobně objevil
vysokoteplotní
supravodivý stav během experimentu s diamanty dotovanými kyslíkem. Supravodivé
vlastnosti ve skutečnosti nevykazuje diamant samotný, ale oblak elektronů mezi
katodou (diamantem) a velmi blízkou pozlacenou anodou (pohyblivou sondou). Celý
experiment probíhá za pokojové teploty a sníženého tlaku. O tom, zda jde
skutečně o supravodivost nebo jiný jev ukáže až blízká budoucnost a další
potřebné experimenty.
|
BCS teorie - počátkem 60. let 20. století Leon N. Cooper, John Bardeen a J. Robert Schrieffer vytvořili teorii
supravodivosti založenou na myšlence párů elektronů s opačným spinem
a směrem pohybu. Tyto páry elektronů (tzv. Cooperovy páry) se
chovají jako bosony a mohou za nízké teploty sdílet přesně stejnou
deformaci v krystalické mřížce. Díky tomu se chovají jako
koherentní makroskopická kapalina. Při energiích vyšších než prahová
energie je tento koherentní stav narušen teplotními excitacemi o energii kT.
Za tuto teorii obdrželi v roce 1972 Nobelovu cenu
za fyziku.
Bosony
- bosony jsou částice s celočíselným spinem. V témže stavu jich může
být libovolný počet a díky tomu mohou vytvářet bosonovou kondenzaci
v nejnižším kvantovém stavu. Jejich chování popisuje tzv.
Bose-Einsteinovo statistické rozdělení.
Boseův Einsteinův kondenzát -
(Bose-Einstein Condensate, BEC) představuje nový stav hmoty, ve
kterém jsou atomy plynu v jednom jediném kvantovém stavu. Atomy plynu se vzájemně překrývají a společný kvantový stav se chová jako jediná
"superčástice". Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů,
které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Jde
o kondenzaci nikoliv v prostoru určitých periodických uzlů, jako je
tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, ale o kondenzaci v prostoru hybností.
Přechod od klasického stavu ke kvantovému je
náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě
nižší než je tzv. teplota degenerace.
Cooperův pár - vázaný pár
elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Celý pár se chová jako
boson a může vytvářet Boseův-Einsteinův kondenzát.
Diamant - jedna z krystalografických
forem uhlíku, je-li dotován kyslíkovými ionty, stane se polovodičem typu n.
Fermiony
- fermiony jsou částice s poločíselným spinem. V daném kvantovém
stavu může být jen jediná částice (tzv. Pauliho vylučovací princip).
Částice obsazují stavy postupně až po tzv. Fermiho energii. Jejich
chování popisuje tzv. Fermi-Diracovo statistické rozdělení.
Supravodivost
- supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil,
že při ochlazení rtuti pod teplotu 4.2 K dochází k prudkému poklesu
elektrického odporu až na milióntinu původní
hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku,
ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč elektrony v ochlazeném materiálu tečou bez odporu.
|
Popis experimentu
Diamant dotovaný kyslíkem je polovodič typu n a má zápornou elektronovou
afinitu. Za pokojové teploty je schopen uvolňovat elektrony z povrchu
tunelováním do vakua. Extrahované elektrony vytvoří vrstvičku mezi diamantem a anodou, která je vysoce vodivá a má zajímavé vlastnosti.
Schématické znázornění aparatury použité pro měření
elektronových
emisí z diamantů. Sonda je vyrobena z nerezavějící
oceli pokryté
zlatem. Vakuum
je lepší než 10−6 mbar.
Diamant (katoda) i sonda (anoda) jsou uloženy ve vakuové komoře za tlaku 10−6
mbar při pokojové teplotě. Vzdálenost sondy od diamantu je možné
měnit. Při napětí +1000 V se proud ustálí
kolem hodnoty 0.5 mA a pro vzdálenosti elektrod větší než 16 μm klesá na nulu. Proud
také teče opačným směrem při napětí −1000 V, ale vymizí při ještě
menší vzdálenosti elektrod.
Proud měřený jako funkce vzdálenosti sondy od povrchu.
Elektrony opouštějící povrch diamantu jsou přitahovány zpět kladnou vrstvou
vzniklou pod povrchem diamantu, nemohou se ale z energetických důvodů vrátit do
diamantu. Těsně pod povrchem diamantu se formuje kladná vrstva a nad povrchem
vrstva záporných elektronů. Tyto dvě vrstvy vytváří dipól stínící povrchové
elektrické pole. Velikost vzniklé dipólové vrstvy lze řídit polem přiloženým na
sondu. Pokud elektrony dosáhnou až k anodě, začne mezi katodou a anodou téct
elektrický proud. Elektrické pole mezi diamantem a anodou způsobuje nárůst počtu
elektronů a snížení jejich rychlosti. Profesor
Prins argumentuje tím, že dosažení stacionárního proudu znamená efektivní nulové
elektrické pole v mezeře mezi katodou a anodou a přechod elektronové vrstvy do
stavu Bose - Einsteinova kondenzátu. Elektrony z nějakých, ne zcela jasných
příčin formují Cooperovy elektronové páry.
Proud pokračuje z diamantové katody skrz tuto vrstvu do anody, dokonce i tehdy,
když tu není žádné napětí. Právě to je základní vlastností supravodivosti.
Avšak zbytek diamantové komunity zůstává skeptický. Richard Jackman z Univerzitní koleje London, který editoval speciální zprávy časopisů, ve kterých
Prins publikoval, popisuje práce jako “velmi teoretické dokumenty, provokující,
kontroverzní a otevřené k debatě”. Prins připouští, že musí ukázat, že tento
stav není závislý na magnetickém poli a přesvědčivě prokázat, že tento stav je
supravodivý. Nicméně Prins nedávno odešel do důchodu a pokračování v experimentech je nejisté. Prins a jeho dva společníci se pokusili dosavadní
pokusy
patentovat.
Na odpověď, zda se skutečně jedná o objev tolik žádané vysokoteplotní
supravodivosti si budeme proto muset ještě nějaký čas počkat.
Odkazy
|
|