I když výzkum supravodivosti sahá hluboko do první poloviny minulého století, v poslední době se o něm mluví stále častěji a tu a tam supravodiče proniknou i do masmédií. Není se čemu divit, je to totiž jeden z nejtypičtějších stavebních kamenů experimentálních kvantových počítačů.
Supravodič už podle svého názvu vede elektrický proud bez odporu, takže se žádná energie neztrácí přeměnou na teplo. Kdyby byly supravodiče stejně dostupné jako měděný drát, technologická úroveň lidstva by dnes už byla nejspíše o pěkný kus dál.
Kouzelné supravodiče mají rády chlad
Supravodiče by umožnily používat mnohem efektivnější a menší generátory nebo výstavbu hypotetické dálkové elektrické sítě, která by díky nulovým ztrátám v samotném vodiči nevyžadovala velmi vysoké napětí a hustou síť transformátorů.
Elektrické kabely ve švýcarském Cernu. Běžná kabeláž pro někdejší urychlovač LEP a supravodivá kabeláž pro jeho nástupce LHC (Foto: Rama, CC BY-SA 2.0 fr)
Samostatnou kapitolou je pak informatika: Vodič s nulovým odporem by totiž mohl přenášet signál prakticky na libovolnou vzdálenost. Anebo doprava: Namísto současnou dieselovou nebo elektrickou lokomotivou byste na nedělní výlet vyrazili cenově dostupným maglevem.
Tak, dost naivních a lehce zjednodušených snů, celé to má totiž jeden podstatný háček. Materiál získává supravodivost za poněkud komplikovaných podmínek – zejména za extrémně nízkých teplot. Vědci se tak dnes předhánějí v tom, kdo vyrobí supravodivou látku, která vydrží v kýženém stavu při co nejvyšší teplotě. Ta pokojová je ale zatím nedostižná, současné rekordy se totiž počítají na stovky kelvinů.
České pětiatomové vrstvičky
Supravodičům se věnuje i evropský mezinárodní tým, jehož páteř tvoří čeští vědci z Masarykovy univerzity, Západočeské univerzity v Plzni a institutu CEITEC Vysokého učení technického. Nakonec se dočkali publikace svého výzkumu v renomovaném časopisu Nature.
Vrstvičky atomů
Společně s experty z Německa a Rakouska studovali supravodivost telluridu bismutu s příměsí manganu. Právě mangan změnil díky svému magnetismu strukturu látky, která je tak odolná vůči vnějším vlivům a její činnost se dá regulovat.
„Tyto materiály jsou charakteristické svou strukturou, která se dá přirovnat k lístkovému těstu. Jsou uspořádané ve vrstvách o síle pěti nebo sedmi atomů, tedy asi jednoho nanometru.
Vrstvy o sedmi atomech se tvoří právě díky přidání manganu, který se do struktury zabudovává přednostně ve středu vrstev o sedmi atomech. Právě to zlepšuje požadované vlastnosti materiálu,“ uvedl Ondřej Caha z Přírodovědecké fakulty MU a Centra pokročilých nano a mikrotechnologií CEITEC MU.
Supravodičoví pekaři Ondřej Caha a Jan Minár
„Za pomoci kvantověmechanických výpočtů se nám podařilo popsat magnetické vlastnosti tohoto systému. Do budoucna tyto výpočty umožní předpovídat další nové materiály,“ doplňuje Jan Minár z vysokoškolského ústavu Nové technologie – výzkumné centrum ZČU, který se svým kolegou Saleemem Khanem vytvořil teoretickou část práce. Pro ZČU jde o vůbec první publikaci v prestižním časopise Nature.
Exotické elektronové stavy na povrchu
Samotná měření probíhala v několika institutech včetně zmíněného Vysokého učení technického, kde vědci do práce zapojili jeden z nejvýkonnějších mikroskopů na světě – transmisní elektronový TITAN, díky kterému lze přímo sledovat atomární strukturu materiálu.
„Struktura je podstatou jedinečných vlastností každého materiálu a díky těmto pozorováním bylo možné zjistit pozoruhodnou roli přidaného manganu na uspořádání atomů telluridu bismutu, a lépe tak pochopit princip fungování nové sloučeniny,“ doplnil Jan Michalička z VUT.
Transmisní elektronový mikroskop Titan
Výzkum exotických elektronových stavů v okrajových atomech pevné látky, které se v ní běžně nevyskytují, započal už v roce 2012 a protáhl se na dalších pět let. Čeští výzkumníci jsou však i tak stále na začátku. I jejich technika nastartování supravodivosti totiž vyžaduje velmi nízkou teplotu. Zatím ji ověřili pouze při 10 kelvinech (zhruba -260 °C), což je přece jen o něco málo méně než dva stupně pod nulou v současném lednovém Česku.
