Magnetyzm a wysokotemperaturowe nadprzewodniki

Badania nad magnetyzmem w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych

Czy możliwe będzie przekazywanie energii z turbin wiatrowych do instalacji naziemnych bez utraty mocy? To marzenie mogłyby spełnić specjalne materiały tzw. wysokotemperaturowe nadprzewodniki. Brak strat energii na wydzielanie ciepła w trakcie przepływu prądu elektrycznego w nadprzewodniku stwarza możliwości praktycznego zastosowania nadprzewodników. Ograniczeniem w ich stosowaniu jest konieczność utrzymywania materiału w niskiej temperaturze (-140 C), oraz to, że poznane dotychczas nadprzewodniki wysokotemperaturowe są materiałami ceramicznymi (a więc są kruche, sztywne itd.). Nadprzewodniki metaliczne wykorzystywane są głównie w silnych elektromagnesach.

Jednak w ciągu ostatnich dwudziestu pięciu lat, naukowcy nie byli w stanie w pełni wykorzystać ich właściwości. Być może zmienią to obecnie prowadzone badania nad ich magnetyzmem, mogą okazać się przełomowe dla poszukiwań nowych materiałów nadprzewodzących.

Istnieją doskonałe izolatory ceramiczne, które zachowują te właściwości w temperaturze pokojowej. Po zanurzeniu ich w ciekłym azocie stają się także doskonałymi przewodnikami. Przebieg tego procesu jest jednak wciąż nie do końca zbadany. Naukowcy uważają, że przy takich temperaturach to kwantowe właściwości magnetyczne atomów mają kluczowe znaczenie. Jednak przy takiej skali wielkości materiału, jego badanie zajęłoby wiele czasu.

Wspólna praca naukowców z wielu krajów przyniosła jednak pozytywne i zaskakujące rezultaty. Międzynarodowy zespół w składzie Mark Dean, John Hill i Ivan Bozovic z Brookhaven National Laboratory (BNL), Thorsten Schmitt z Paul Scherrer Institut w Szwajcarii (PSI) oraz Bastien Dalla Piazza i Henrika Rønnow z EPFL zbudował, za pomocą specjalnego urządzenia, warstwę o grubości jednego atomu. Następnie, pomimo ekstremalnie cienkiego materiału, naukowcy użyli ultra wrażliwego urządzenia do pomiaru dynamiki magnetycznej atomów. Potemza pomącą modeli matematycznych zanalizowano otrzymanie wyniki.

Mamy teraz rodzaj drogowskazu, który pokaże nam dalszy kierunek badań - wyjaśnia Rønnow. Bez zrozumienia nadprzewodzących właściwości, występujących w tych temperaturach, y analiza nowych, obiecujących materiałów byłaby długa i żmudna. Po połączeniu tych wyników z ostatnimi pracami naukowca Nikołaja Tsyrulin z LQM, zespół przedstawił nową metodę, która może okazać się pomocna dla fizyków w poszukiwaniu nowych nadprzewodników.

Jest to długo oczekiwany krok naprzód w tej dziedzinie. Ponad 25 lat temu Johannesa G. Bednorza i K. A. Müllera otrzymali w 1986 roku  Nagrodę Nobla za odkrycie nowej rodziny materiałów ceramicznych o strukturze perowskitu czyli nadprzewodniki wysokotemperaturowe.

Opór elektryczny w tradycyjnych linii energetycznych prowadzi do strat energii rzędu 3%. W skali całego kraju, przekłada się to na kilka tysięcy gigawatów, co w przypadku Szwajcarii, byłby odpowiednikiem zużycia energii elektrycznej w mieście wielkości Genewy.

Wyzwania, jakie stawia przed nami energetyka nie są proste, i choć nadprzewodnictwo nie rozwiąże wszystkich problemów, może jednak umożliwić ogromne oszczędności energii - dodaje Rønnow

(ma)