Skand – pierwiastek, który nadprzewodzi w najwyższej temperaturze

Nadprzewodniki - czyli materiały, które przewodzą prąd bez oporu elektrycznego prowadzącego do marnowania energii – były intensywnie badane od ponad wieku ze względu na potencjalne możliwości idealnie efektywnego wykorzystania energii elektrycznej. Oprócz niektórych metali (na przykład rtęć, cyna, ołów czy platyna) do nadprzewodnictwa zdolne są również tlenki metali, a nawet takie odmiany węgla jak fulereny czy nanorurki.

Jak od niedawna wiadomo, właściwości nadprzewodzące niektórych materiałów mogą pojawić się w wyższych temperaturach (zwanych temperaturami krytycznymi) dzięki zmianie składu chemicznego materiałów lub poddaniu ich działaniu wysokiego ciśnienia. Wciąż jeszcze nie ma zgody, co należy zrobić, aby otrzymać materiał, który wykazywałby nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej (około 20 stopni Celsjusza, czyli 293 stopnie Kelvina), jednak większość ekspertów uważa, że jest to możliwe przy ekstremalnym ciśnieniu.

Teraz dwa niezależne zespoły chińskich naukowców odkryły (DOI: 10.48550/arXiv.2302.14378, DOI: 10.48550/arXiv.2303.01062), że pod bardzo wysokim ciśnieniem srebrzysty metaliczny skand można przekształcić w nadprzewodnik bez konieczności mieszania go z innymi substancjami, a zerowy opór elektryczny pojawia się w temperaturach wyższych niż dla jakiegokolwiek innego pierwiastka.

„Ciała stałe wykonane z jednego pierwiastka to jedne z najprostszych i najczystszych systemów do badania nadprzewodnictwa, ale jak dotąd wszystkie wydawały się mieć krytyczne temperatury poniżej -243 st. C” - powiedział „New Scientistowi” Jianjun Ying z University of Science and Technology of China, który pracował na jednym z eksperymentów. Drugim zespołem badawczym kierował Changqing Jin z Chińskiej Akademii Nauk.

W obu eksperymentach naukowcy ścisnęli mały kawałek skandu między dwoma diamentami, aby wywrzeć ekstremalne ciśnienie. Ściskanie skandu zmienia układ jego atomów, a przy ekstremalnych ciśnieniach ulega on deformacji w odpowiedni sposób, aby niektóre znajdujące się w nim elektrony mogły uczestniczyć w nadprzewodnictwie w wyższych temperaturach.

W jednym z eksperymentów ciśnienie sięgało około 75 proc. ciśnienia we wnętrzu Ziemi.

Oba zespoły wielokrotnie powtarzały eksperyment przy nieco innych temperaturach i ciśnieniach, za każdym razem mierząc opór elektryczny skandu.

W przypadku zespołu Yinga miało to miejsce przy ciśnieniu 260 gigapaskali i temperaturze -237 st. C, podczas gdy Jin i jego koledzy stwierdzili, że najwyższa temperatura krytyczna wynosiła -242 st. C przy ciśnieniu 283 gigapaskali. Oba pomiary są zasadniczo równoważne - zaznaczył Jin.

Jak przyznają autorzy, potrzeba zastosowania tak wysokiego ciśnienia jak na razie wyklucza praktyczne zastosowanie nadprzewodzącego skandu, jednak zrozumienie, w jaki sposób deformacja struktury materiału zmienia jego temperaturę krytyczną może pomóc naukowcom w opracowaniu nowych nadprzewodników w przyszłości. (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ zan/