Nowe nadprzewodniki i publikacja w prestiżowym czasopiśmie

Prof. Tomasz Klimczuk i doktorantka mgr inż. Karolina Górnicka z Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej oraz Centrum Materiałów Przyszłości Politechniki Gdańskiej odkryli dwa nowe związki nieorganiczne wykazujące niekonwencjonalne nadprzewodnictwo. Wyniki badań, których współautorami są naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej, Uniwersytetu Princeton i Uniwersytetu Rutgersa (USA), zostały opublikowane w czasopiśmie Advanced Functional Materials (IF = 16,84). Każdy nowy nadprzewodnik to krok w kierunku znalezienia materiału, który zastosowany w praktyce może przyczynić się m.in. do większej ochrony środowiska i niższych rachunków za prąd.

Po blisko dwóch latach interdyscyplinarnych badań, realizowanych w ramach grantów Narodowego Centrum Nauki Opus i Harmonia, polsko-amerykański zespół naukowców odkrył materiały, które wykazują nadprzewodnictwo przy niskowymiarowej i niecentrosymetrycznej strukturze oraz przy stosunkowo wysokiej, jak na nadprzewodniki tego rodzaju, temperaturze krytycznej (5-7K).

– Odkryte przez nasz zespół nadprzewodniki występują w nowym typie struktury krystalicznej, który nie był wcześniej opisany w literaturze. Dotychczas poszukiwano nadprzewodników w strukturach o wysokiej symetrii, a tu mamy do czynienia ze strukturą jednoskośną i niecentrosymetryczną. „Gryzie się” z przewidywaniami teorii opisującej nadprzewodnictwo, według której środek symetrii w strukturze krystalicznej musi istnieć – tłumaczy prof. dr hab. inż. Tomasz Klimczuk. – Co więcej, przy jednoczesnym braku środka symetrii i silnym sprzężeniu spin-orbita możemy spodziewać się występowania „egzotycznego” nadprzewodnictwa. Tak właśnie jest w przypadku NbIr₂B₂ i TaIr₂B₂. Wyznaczone przez nas pole krytyczne, a więc pole magnetyczne, które wygasza nadprzewodnictwo, przekracza pole graniczne, które jest określone przez tzw. limit Pauli’ego.

Jak dodaje mgr inż. Karolina Górnicka, pomysłodawczyni projektu, autorka metody syntezy i pomiaru właściwości fizycznych, nadprzewodniki bez środka symetrii co prawda istnieją, ale jest ich zaledwie kilkadziesiąt przy ogólnej liczbie kilku tysięcy nadprzewodników.

Badania realizowane m.in. na Politechnice Gdańskiej miały charakter badań podstawowych. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Advanced Functional Materials wskazano na konieczność przeprowadzenia dalszych prac badawczych, w tym m.in. spektroskopii mionów. Zgłaszają się już pierwsi naukowcy zainteresowani kontynuacją badań związanych z tym odkryciem.

– Mieliśmy już kilka próśb o próbki do przeprowadzenia dodatkowych badań ze Szwajcarii, Wielkiej Brytanii, Stanów Zjednoczonych – mówi mgr inż. Karolina Górnicka.

Gdzie odkrycie „egzotycznych” nadprzewodników może znaleźć zastosowanie w przyszłości?

– Każdy nowy nadprzewodnik zbliża nas do znalezienia materiału, który nie tylko będzie nadprzewodził w temperaturach bliskich temperatury pokojowej, ale również będzie mógł być zastosowany w praktyce. We wszystkich przewodach, w których płynie prąd elektryczny, występują straty wynikające z tego, że mamy do czynienia z oporem elektrycznym. W nadprzewodnikach opór elektryczny jest całkowicie niemierzalny. Można powiedzieć, że jest zerowy i stąd bierze się nazwa tej klasy materiałów. Jeżeli zamienilibyśmy przewody elektryczne, które docierają z elektrowni do naszych domów na przewody wykonane z nadprzewodników, uzyskalibyśmy od 5 do 10 proc. utraconej energii. Nie tylko środowisko naturalne byłoby z tej zamiany zadowolone. Tyle też mniej płacilibyśmy za nasze rachunki – tłumaczy prof. Klimczuk. – Ponadto, nadprzewodniki już dzisiaj stosowane są w systemach do obrazowania magnetycznego MRI (rezonans magnetyczny) wykorzystywanych w szpitalach.

W skład zespołu badawczego wchodzili: prof. Tomasz Klimczuk, mgr inż. Karolina Górnicka (Politechnika Gdańska), dr hab. inż. Bartłomiej Wiendlocha, prof. AGH (Akademia Górniczo-Hutnicza), dr Loi T. Nguyen, dr Xin Gui i prof. Robert Cava (Uniwersytet Princeton), prof. Weiwei Xie (Uniwersytet Rutgersa).

Naukowcy z Politechniki Gdańskiej podkreślają wagę interdyscyplinarnej, międzynarodowej współpracy fizyków, chemików i krystalografów przy tym i innych projektach związanych z poszukiwaniem nowych materiałów. Zespół badawczy z PG specjalizuje się m.in. w czasochłonnych pomiarach ciepła właściwego. Do laboratorium w Centrum Nanotechnologii trafiają m.in. próbki z Uniwersytetu Princeton, Uniwersytetu Rutgersa, Uniwersytetu w Zurychu.

Dodajmy, że grupa badawcza pod kierunkiem prof. Klimczuka (m.in. laureata programów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej) odkryła dotychczas zjawisko nadprzewodnictwa w 9 związkach chemicznych, w tym sześć nadprzewodników w ramach badań prowadzonych na Politechnice Gdańskiej (Zakład silnie skorelowanych układów elektronowych).

Mgr inż. Karolina Górnicka, która wcześniej badała związki wykazujące nadprzewodnictwo w ramach Diamentowego Grantu, realizuje obecnie projekt finansowany z programu Preludium – we współpracy z prof. Robertem Cavą oraz z prof. Shintaro Ishiwatą z Uniwersytetu w Osace.