Κυνηγώντας την υπεραγωγιμότητα στο εργαστήριο με τη βοήθεια της θεωρίας

Σε ένα γεμάτο από επιστημονικά όργανα εργαστήριο στο Ιλινόις των ΗΠΑ δύο ερευνητές κάνουν τον τελευταίο έλεγχο σε μια κυλινδρική συσκευή μεγέθους δαμάσκηνου, που ονομάζεται διαμαντόπρεσα, επειδή χρησιμοποιεί δύο μικροσκοπικά διαμάντια (από τα ανθεκτικότερα υλικά που γνωρίζουμε), για να ασκήσει στο δοκίμιο τεράστιες πιέσεις. Το ίδιο το δοκίμιο είναι ένας κόκκος της σπάνιας γαίας λανθάνιο και λίγο αέριο υδρογόνο, που οι θεωρητικοί φυσικοί είχαν προβλέψει ότι μπορούν να ενωθούν και να σχηματίσουν μια καινοτόμα χημική ένωση, κάτω από πιέσεις 2,1 εκατομμυρίων ατμοσφαιρών. Η πίεση αυτή είναι περισσότερο από το μισό της πίεσης στο κέντρο της Γης και κοντά στα όρια αντοχής της διαμαντόπρεσας. Οταν οι επιστήμονες έφτασαν την πίεση στα 1,7 εκατομμύρια ατμόσφαιρες, τα διαμάντια άρχισαν να παραμορφώνονται, οπότε είπαν να δουν τι μπορούν να πετύχουν σε αυτήν την πίεση.
Γύρω από τη διαμαντόπρεσα ήταν τοποθετημένοι μακριοί σωλήνες που τη βομβάρδιζαν με ακτίνες-Χ, μια συστοιχία από φακούς και κάτοπτρα, για να οδηγούν προς το μέρος της μιαν ακτίνα λέιζερ και μια βιντεοκάμερα, για να καταγράφει τον βομβαρδισμό της πρέσας και του δοκιμίου με όλες αυτές τις ακτίνες. Οι επιστήμονες είχαν την ελπίδα ότι το λέιζερ θα λειτουργούσε ως καταλύτης για την αντίδραση λανθανίου και υδρογόνου. Εξω από το χώρο της πρέσας, πίσω από μια μεταλλική πόρτα που τους προστάτευε από τις ακτίνες-Χ, οι ερευνητές παρακολουθούσαν το γράφημα σε μια οθόνη υπολογιστή, που έδειχνε συμπεράσματα ως προς τη σύνθεση του δοκιμίου, όπως αποκαλύπτονταν από τη σκέδαση των ακτίνων-Χ. Το διάγραμμα γρήγορα και χωρίς να χρειαστεί να ανεβάσουν πολύ τη θερμοκρασία του, πήρε την επιθυμητή όψη. Είχαν με επιτυχία παρασκευάσει υδρίδιο του λανθανίου με χημικό τύπο LaH₁₀.

«Μαγικά» υλικά

Η θεωρία και η μοντελοποίηση σε υπολογιστή είχαν δείξει ότι το LaH₁₀ θα μπορούσε να είναι υπεραγωγός, ένα υλικό με την παράξενη ιδιότητα να άγει το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς καμία απώλεια Ενέργειας, όπως αυτή από την οποία πάσχουν τα συνήθη καλώδια, λόγω της αντίστασης που παρουσιάζουν στη ροή ηλεκτρισμού. Αυτή η απόδοση 100% θα μπορούσε να επιτρέψει την αποθήκευση μεγάλης ποσότητας ηλεκτρικού ρεύματος, που θα έκανε - πρακτικά στο διηνεκές - κυκλική διαδρομή μέσα σε μια μπαταρία μικρού μεγέθους, χωρίς να αποφορτίζεται όταν δεν χρησιμοποιείται. Η ακόμη πιο σημαντική πρόβλεψη ήταν ότι το LaH₁₀ θα εμφάνιζε την υπεραγώγιμη συμπεριφορά σε θερμοκρασία περίπου 7 βαθμών Κελσίου, δηλαδή πολύ υψηλότερη από οποιονδήποτε άλλο υπεραγωγό και πολύ κοντά στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, ένα στόχο που κυνηγούν οι επιστήμονες εδώ και έναν αιώνα.
Οι πολύ χαμηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται από τους υπεραγωγούς που έχουν εφευρεθεί μέχρι σήμερα, περιορίζουν τις δυνατότητες χρήσης τους σε εφαρμογές όπως οι μαγνητικοί τομογράφοι και οι επιταχυντές σωματιδίων. Αλλά ένας υπεραγωγός σε θερμοκρασία περιβάλλοντος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί π.χ. για τη μεταφορά Ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές πολύ μακριά από το σημείο παραγωγής της, χωρίς απώλειες, για μπαταρίες που δεν αποφορτίζονται και αμέτρητες άλλες χρήσεις στους υπολογιστές και την Ιατρική.

Πρωτοτυπία

Η ανάλυση με ακτίνες-Χ έδειξε ότι το υδρίδιο του λανθανίου που παρασκεύασαν οι Σομαγιαζούλου και Γκεμπάλε είχε την ακριβή μικροσκοπική δομή που είχαν προβλέψει οι θεωρητικοί. Το γεγονός ότι το LaH₁₀ πρώτα σχεδιάστηκε σε υπολογιστή και οι υπολογισμοί οδήγησαν τους πειραματιστές πού ακριβώς να ψάξουν ήταν μια πραγματική πρωτοτυπία. Επί έναν αιώνα που οι επιστήμονες αναζητούν τον υπεραγωγό θερμοκρασίας περιβάλλοντος, σχεδόν κάθε πρόοδος συντελέστηκε με κάποιον συνδυασμό μαντέματος (στη βάση της δεδομένης εκείνη τη στιγμή επιστημονικής γνώσης) και καλής τύχης. Οι πειραματιστές, με βάση κάποιους εμπειρικούς κανόνες που είχαν διαπιστώσει ότι απέδιδαν, δοκίμαζαν το ένα μετά το άλλο τα συστατικά, με την ελπίδα να πετύχουν το επιθυμητό αποτέλεσμα. Μόνο μια φορά στο παρελθόν ένα πρόγραμμα σε υπολογιστή είχε βοηθήσει να προβλεφθεί ένας υπεραγωγός υψηλής θερμοκρασίας, το H₃S, όταν ο πραγματικός στόχος ήταν το υδρόθειο (H₂S), δηλαδή τo δύσοσμο αέριο που δίνει τη χαρακτηριστική μυρωδιά στα χαλασμένα αυγά. Κι αυτή η ένωση συντέθηκε σε πολύ υψηλές πιέσεις και ανήκει στα υδρίδια, αλλά και στην περίπτωση αυτή οι παρασκευαστές του προσπαθούσαν να συνθέσουν κάτι άλλο. Οι τεράστιες πιέσεις που χρειάζονται ώστε τα υδρίδια αυτά να παραμένουν σταθερά, κάνουν απίθανη οποιαδήποτε πρακτική χρήση τους, αλλά οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιήθηκαν για να εφευρεθούν, μαζί με άλλες πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της πληροφορικής, μπορούν να κάνουν την έρευνα για πιο πρακτικούς υπεραγωγούς πιο συστηματοποιημένη και πιθανά πιο αποδοτική απ' ό,τι ήταν οποτεδήποτε στο παρελθόν.

Αν και η υπεραγωγιμότητα αποδεικνύεται πολύ πιο συνήθης απ' ό,τι αναμενόταν και πολλά χημικά στοιχεία έχει διαπιστωθεί πειραματικά ότι γίνονται υπεραγωγοί σε θερμοκρασίες που δεν ξεπερνούν τους 10 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273,15 βαθμοί Κελσίου), κανείς δεν μπορούσε να την εξηγήσει θεωρητικά, πριν την εμφάνιση της κβαντομηχανικής τη δεκαετία του 1920. Η εξήγηση σχετίζεται με τη διπλή σωματιδιακή - κυματική φύση που εμφανίζουν τα ηλεκτρόνια (υπεύθυνα για τη συνήθη ροή ηλεκτρισμού μέσα σε αγωγούς) και οι Μπαρντίν, Κούπερ και Σρίφερ τη διατύπωσαν ως θεωρία (γνωστή από τα αρχικά τους ως BCS), το 1957 (βλ. σχετικό διάγραμμα). Η θεωρία αυτή οδήγησε σε πολλές επιτυχείς προβλέψεις, όπως οι κρίσιμες θερμοκρασίες πάνω από τις οποίες οι υπεραγωγοί χάνουν τις ...υπερδυνάμεις τους. Ομως δεν βοήθησε πολύ στην ανακάλυψη υπεραγωγών υψηλότερων θερμοκρασιών.

Στα βάθη

Μέχρι το 1986 δεν είχε ανακαλυφθεί κανένα υλικό που να είναι υπεραγώγιμο σε θερμοκρασίες ανώτερες των -250 βαθμών Κελσίου. Τότε ερευνητές της IBM, θεωρώντας ότι ακολουθούν τη θεωρία BCS κατασκεύασαν κάποια σύνθετα κεραμικά υπεραγώγιμα υλικά, που ονομάστηκαν cuprates. Οπως τελικά αποδείχτηκε, τα υλικά αυτά εκδηλώνουν υπεραγωγιμότητα όχι στη βάση της θεωρίας BCS, με σχηματισμό ζευγών (ηλεκτρονίων) Κούπερ, αλλά βάσει άμεσων αλληλεπιδράσεων μεταξύ ηλεκτρονίων. Γι' αυτό οι ημιαγωγοί αυτοί, όπως και άλλοι με παρόμοια χαρακτηριστικά κατατάχθηκαν στους μη συμβατικούς ημιαγωγούς, για τους οποίους δεν υπάρχει πλήρης επιστημονική συμφωνία ως προς τα αίτια της υπεραγωγιμότητας. Για άλλη μια φορά, οι επιστήμονες είχαν κατασκευάσει κατά τύχη υπεραγωγούς. Το ίδιο έγινε και από άλλους συναδέλφους τους το 2006, όταν προσπαθώντας να κατασκευάσουν βελτιωμένες επίπεδες οθόνες, συνέθεσαν μη συμβατικούς υπεραγωγούς βασισμένους σε ενώσεις του σιδήρου.
Πρόσφατα θεωρητικά μοντέλα έδειξαν ότι δύο επάλληλα στρώματα γραφενίου (μονοατομικό στρώμα άνθρακα γραφιτικής δομής) περιεστραμμένα με γωνία περιστροφής ακριβώς 1,1 μοίρας θα εμφανίζουν αιχμή στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων, χωρίς όμως να προβλέψουν υπεραγωγιμότητα. Αξιοποιώντας αυτές τις εκτιμήσεις, πειραματιστές έδειξαν ότι εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα και μάλιστα σε θερμοκρασία υψηλότερη των -271,45 βαθμών Κελσίου, που προέβλεπαν τα μοντέλα.
Με περισσότερα από 12.000 υπεραγώγιμα υλικά να είναι ήδη γνωστά, υπάρχουν ακόμη πολλαπλάσια, που ίσως εμφανίζουν την επιθυμητή ιδιότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες και φυσιολογικές πιέσεις. Αντί να δοκιμάζουν κάθε χρόνο καμιά δεκαριά ουσίες στο εργαστήριο, ελπίζοντας ότι η τύχη θα τους ευνοήσει, οι πειραματιστές φαίνεται τώρα ότι αρχίζουν να έχουν βοήθεια από συστήματα μηχανικής μάθησης, που με βάση τα χαρακτηριστικά των γνωστών υπεραγώγιμων υλικών μπορούν να εντοπίσουν τις ουσίες με τη μεγαλύτερη πιθανότητα υπεραγωγιμότητας υψηλών θερμοκρασιών. Ομως ακριβώς επειδή στηρίζονται στα ήδη γνωστά υπεραγώγιμα υλικά τα συστήματα αυτά δεν μπορούν να ανακαλύψουν εντελώς νέες κατηγορίες υπεραγωγών. Αν υπάρχουν τέτοια τότε είναι ακόμη θαμμένα κάπου βαθιά μέσα στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Τουλάχιστον τώρα οι πειραματιστές ξέρουν ότι αν οι θεωρητικοί κάνουν κάποια πρόβλεψη υπεραγώγιμου υλικού, υπάρχει πια 50% πιθανότητα να βγει αληθινή.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»