Υπεραγωγιμότητα για τη Σιβηρία
Ήταν μέσα Μαΐου του περασμένου έτους όταν συνειδητοποιήσαμε ότι είχαμε κάτι.
Μετρούσαμε τις ηλεκτρικές ιδιότητες ενός σφαιριδίου συμπιεσμένου ανάμεσα σε δύο διαμάντια σε ένα αμόνι. Το αμόνι θα μπορούσε να ασκήσει 2 εκατομμύρια ατμόσφαιρες πίεσης, ή περίπου τη μισή πίεση που βρίσκεται στο κέντρο της Γης. Οι θεωρητικοί είχαν υπολογίσει ότι σε ακραίες πιέσεις όπως αυτές, και θερμοκρασίες μεταξύ 123 βαθμών Κελσίου και αρνητικών 73 βαθμών Κελσίου, το μεταλλικό υδρογόνο θα έχανε όλη την αντίστασή του στον ηλεκτρισμό. Θα γινόταν ένας τέλειος αγωγός, αφήνοντας το ρεύμα να διαρρέει ουσιαστικά για πάντα.
Αυτό μπορεί να είναι μεγάλη υπόθεση. Η πραγματική υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου θα μπορούσε να επιτρέψει ηλεκτρική μετάδοση χωρίς απώλειες, γρήγορα τρένα, αιώρηση, νέους υπολογιστές - ο ουρανός θα ήταν το όριο. Αλλά η υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου ήταν (και παραμένει) απρόσιτη—όταν κάναμε τα πειράματά μας, τίποτα θερμότερο από τους αρνητικούς 130 C δεν λειτουργούσε σε κανονικές πιέσεις.
Έτσι, εμπνευσμένοι από τη θεωρητική πρόβλεψη, ξεκινήσαμε να αναζητήσουμε μια χημική ένωση που είχε πολύ υδρογόνο μέσα. Δοκιμάσαμε σιλάνιο (τέσσερα άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα με ένα άτομο πυριτίου), αλλά έγινε υπεραγώγιμο σε εξαιρετικά κρύο αρνητικό 256 C. Δεν είναι εντυπωσιακό.
Τελικά στραφήκαμε στο υδρόθειο, το οποίο αποτελείται από άτομα υδρογόνου συμπιεσμένα σε ένα πλέγμα ατόμων θείου. Οι θεωρητικοί προέβλεψαν ότι θα γινόταν υπεραγώγιμο στους αρνητικούς 193 C—επίσης όχι και τόσο εντυπωσιακό. Και ήταν τοξικό και δύσοσμο, τόσο δύσοσμο που προστίθεται στο φυσικό αέριο για να προειδοποιεί τους ανθρώπους για διαρροές.
Αλλά το υδρόθειο ήταν άμεσα διαθέσιμο. Φτιάξαμε λοιπόν ένα μικροσκοπικό σφαιρίδιο από αυτό, περίπου στο πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας. Στις 17 Μαΐου είδαμε ξεκάθαρα μια μετάβαση στην υπεραγώγιμη συμπεριφορά, ή μηδενική αντίσταση, σε θερμοκρασία αρνητικής 223 C. Ήταν πιο κρύο από την πρόβλεψη και πολύ πιο κρύο από τους καλύτερους υπεραγωγούς.
Όμως το αποτέλεσμα μας ενθάρρυνε και αρχίσαμε να προσπαθήσουμε να το αναπαράγουμε. Τους επόμενους τρεις μήνες πολύ σκληρής δουλειάς, αιωρηθήκαμε στην παγωμένη θερμοκρασία των μείον 220 C, μελετώντας τις λεπτομέρειες του υπεραγώγιμου συστήματος μας, παίζοντας με την πίεση και τη θερμοκρασία.
Μετά είχαμε κάποια τυχερά διαλείμματα.
Η ιστορία της υπεραγωγιμότητας είναι γεμάτη από παραλίγο αστοχίες, τύχη και απροσδόκητες ανακαλύψεις. Ο Kamerlingh Onnes, ο οποίος κέρδισε το βραβείο Νόμπελ επειδή ήταν ο πρώτος που είδε την υπεραγωγιμότητα, στην πραγματικότητα δεν την έψαχνε. Είχε βάλει σκοπό να αποδείξει ότι η αντίσταση των μετάλλων πλησιάζει σταδιακά το μηδέν καθώς ψύχονται και μηδενίζεται σε απόλυτο μηδέν θερμοκρασία. Αντίθετα, είδε την αντίσταση του στερεού υδραργύρου να μειώνεται ξαφνικά σε τίποτα στους 4 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Επιπλέον, ο Onnes ήταν επίσης ο πρώτος που είδε το ήλιο να μετατρέπεται σε υπερρευστό, το οποίο μπορεί να ρέει χωρίς αντίσταση. Αλλά του έλειπε εντελώς η υπερρευστότητα, γιατί δεν την έψαχνε. Αργότερα ανακαλύφθηκε από τον Πιότρ Καπίτσα το 1937, κερδίζοντας του το βραβείο Νόμπελ. Το αρχικό πείραμα του Κάμερλινγκ είχε δύο αποτελέσματα άξια Νόμπελ!
Η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας στους χαλκούδες (τα οποία είναι κεραμικά εμποτισμένα με άτομα μετάλλου) ήταν επίσης εντελώς απροσδόκητη. Το μεγαλύτερο μέρος της επιστημονικής κοινότητας πέρασε πολλά χρόνια προσπαθώντας να αυξήσει την υπεραγώγιμη θερμοκρασία μετάπτωσης των μεταλλικών κραμάτων. Κανείς δεν φανταζόταν ότι οι άνθρωποι θα έβρισκαν υπεραγωγιμότητα σε συστήματα χαλκού—έως ότου, δηλαδή, έγιναν παγκόσμιοι νικητές και κατέκτησαν το ρεκόρ για υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας με θερμοκρασίες γύρω στους αρνητικούς 135 C.
Ευτυχώς, είχαμε τη δική μας δόση τύχης, με δύο διαφορετικούς τρόπους. Στις 22 Αυγούστου, ο μηχανισμός φόρτωσης πίεσης σε μια από τις διαμαντένιες κυψέλες μας εμπόδισε να αυξήσουμε τις πιέσεις σε χαμηλή θερμοκρασία. Έτσι αρχίσαμε να ζεσταίνουμε το δείγμα μας. Καθώς παρακολουθούσαμε τα δεδομένα να εισέρχονται, είδαμε κάτι εντελώς απροσδόκητο:Η αντίσταση του δείγματος μειωνόταν με θέρμανση! Η θερμοκρασία στην οποία μεταβαλλόταν στην υπεραγωγιμότητα ήταν πολύ υψηλότερη από ό,τι νομίζαμε. Με έκπληξη είδαμε τη μετάβαση να φτάνει στους αρνητικούς 120 C.
Το αποτέλεσμα μας ανάγκασε να δούμε ξανά τα δεδομένα από τα προηγούμενα πειράματά μας. Όταν το κάναμε, βρήκαμε πολύ αδύναμα σημάδια υπεραγώγιμων μεταπτώσεων έως και αρνητικών 100 C —ένα παγκόσμιο ρεκόρ. Αυτές οι προηγούμενες μετρήσεις δεν έγιναν υπό ιδανικές συνθήκες, χρησιμοποιώντας τρεις ηλεκτρικές επαφές αντί για τις τέσσερις που θα χρειαζόμασταν για να είμαστε ασφαλείς στα δεδομένα. Αλλά ακόμη και αυτά τα πρώιμα, πρόχειρα δεδομένα υποδηλώνουν ότι κάτι εντελώς νέο συμβαίνει στο δείγμα μας.
Αργότερα θα μάθαμε ότι το υδρόθειο μας (H2 S) το σφαιρίδιο απροσδόκητα διασπάστηκε σε σουλφόνιο (H3 ΜΙΚΡΟ). Αυτή η διαδικασία χάθηκε εντελώς από τους θεωρητικούς υπολογισμούς και δεν το περιμέναμε. Αλλά αυτή η διάσπαση ήταν κρίσιμη. Το άτομο υδρογόνου στο σουλφόνιο συμπιέζεται από τα γύρω άτομα θείου σε μια επίδραση που ονομάζεται χημική συμπίεση, αυξάνοντας ουσιαστικά την πίεση που ασκούσαμε. Ταυτόχρονα, το σουλφόνιο μπορεί ακόμη ουσιαστικά να θεωρηθεί ως απλό μεταλλικό ατομικό υδρογόνο, έτσι ώστε να μπορούμε να το συγκρίνουμε με θεωρητικές προβλέψεις για αυτό το υλικό. Περίπου το 92 τοις εκατό της υπεραγώγιμης συμπεριφοράς του καθορίζεται μόνο από το πλέγμα των ατόμων υδρογόνου του και μόνο το 8 τοις εκατό προέρχεται από τα άτομα θείου που συγκρατούν τα άτομα υδρογόνου στη θέση τους.
Καθώς συνεχίζαμε να απομακρύνουμε το πείραμά μας, είδαμε όλο και πιο ζεστές θερμοκρασίες. Η θερμότερη υπεραγώγιμη μετάπτωση που έχει παρατηρηθεί μέχρι σήμερα ήταν αρνητική στους 110 C, για ένα χαλκό υπό πίεση. Η προσέγγισή μας μας επέτρεψε να φτάσουμε σε μια μετάβαση αρνητικών 70 C.
Τώρα, αυτή είναι ακόμα μια πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Λάβετε όμως υπόψη ότι το πεδίο ξεκίνησε σε θερμοκρασία αρνητικών 269 C. Θερμοκρασίες αρνητικών 70 C είναι δραματικά υψηλότερες. Στην πραγματικότητα, εμφανίζονται σε εξωτερικούς χώρους σε διάφορα μέρη της Γης, όπως το χειμώνα στο Γιακούτσκ της Ρωσίας, όπου κάποτε καταγράφηκε θερμοκρασία αρνητικών 64 C. Για μερικούς ανθρώπους, αυτό είναι ήδη υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου - ή για να είμαστε πιο ακριβείς, υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δρόμου. Με κάθε τύχη, σύντομα θα μετακομίσουμε σε μια πιο νότια πόλη.
Ο Mikhail Eremets και ο Alex Drozdov είναι φυσικοί στο Ινστιτούτο Χημείας Max Planck στη Γερμανία.
