Odkrycie nadprzewodnictwa ponad sto lat temu znacząco zmieniło nasz świat.

Historia rozpoczęła się w 1911 roku, kiedy holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes zaobserwował, że opór elektryczny rtęci gwałtownie spada do zera, gdy jest ona schładzana do temperatury około 4 Kelwinów (około 269°C) – nieco niższej niż temperatura wrzenia cieczy hel.

Praktyczne zastosowania tego niezwykłego efektu odkryto znacznie później, w 1986 roku, kiedy odkryto klasę nadprzewodników wysokotemperaturowych. Te materiały o wysokiej Tc mają temperaturę krytyczną poniżej temperatury wrzenia ciekłego azotu, około -196°C, co zmniejsza złożoność i koszt ich eksploatacji.

W dzisiejszych czasach korzystne skutki odkrycia nadprzewodnictwa są nie do przecenienia. Zjawisko to stopniowo wkracza w nasze codzienne życie, choć nie jest łatwo dostrzec wyjątkową rolę, jaką odgrywa.

Utrzymywanie się prądów elektrycznych w materiale nadprzewodzącym oznacza brak strat energii w obwodach nadprzewodzących, co umożliwia uruchomienie szybkich pociągów Maglev, które wykorzystują lewitację magnetyczną w celu zmniejszenia tarcia energii niemal do zera.

Przepływ energii elektrycznej bez oporu toruje drogę obiecującym szybko reagującym akumulatorom energii (nadprzewodnikowe magazynowanie energii magnetycznej) i służy jako rdzeń urządzeń do obrazowania rezonansu magnetycznego (znanych powszechnie jako „MRI”), które są szeroko stosowane w szpitalach i placówkach medycznych ośrodków badawczych.

Nadprzewodnictwo powstaje w wyniku tworzenia się par elektronów połączonych ze sobą kwantami drgań sieci (fononami). W niskich temperaturach te pary Coopera kondensują i tworzą spójną superpozycję stanów, kondensat bozonowy, który przemieszcza się przez sieć krystaliczną bez rozpraszania, co skutkuje zerowym oporem elektrycznym.

Kondensacja par Coopera prowadzi również do wydalenia pól magnetycznych z nadprzewodnika – zjawiska znanego jako efekt Meissnera – którego nie można wytłumaczyć jedynie brakiem oporu elektrycznego. Niechęć między polem magnetycznym a nadprzewodnictwem jest wspólnym odczuciem obu stron, gdyż pole magnetyczne niszczy stan nadprzewodnictwa, jeśli ten nie jest w stanie go odepchnąć poprzez efekt Meissnera.

Wykorzystywane pola magnetyczne mają siłę rzędu stu Tesli w przypadku niektórych nadprzewodników o wysokiej Tc. Natomiast inne materiały nadprzewodzące nie są w stanie wytrzymać nawet znacznie słabszych pól, o wartości ułamka jednej Tesli.

Aby zorientować się, jakie jest natężenie pola magnetycznego, wystarczy przyjąć, że jedna Tesla to siła pola magnetycznego w zwykłym głośniku. W rezonansie magnetycznym wykorzystuje się cewki nadprzewodzące, które generują pola o tej samej skali, do 2 Tesli, w miarę przepływu przez nie prądu elektrycznego.

Podsumowując, wiadomo, że nadprzewodnictwo wykazywane przez niektóre materiały jest podatne na działanie silnych pól magnetycznych.

Dochodzimy teraz do kontrowersyjnej kwestii dzieła opublikowanego w Listy z przeglądu fizycznego którego jestem współautorem: Czy można wytworzyć nadprzewodnik bez użycia jakiegokolwiek materiału, wykorzystując jedynie pole magnetyczne? To pytanie brzmi zarówno kontrowersyjnie, jak i niezbyt mądrze, biorąc pod uwagę to, co właśnie opisaliśmy.

Po pierwsze, aby uzyskać stan nadprzewodzący, potrzebujemy materii w postaci par miedzi. Po drugie, wydaje się, że należy unikać narażania tego stanu na działanie zbyt silnych pól magnetycznych, które mogą zniszczyć przepływ nadprzewodzący.

Wymóg niematerialny oznacza, że ​​jesteśmy zachęcani do pracy z „niczem” jako naszym… cóż, „materiałem”. Tutaj „nic” oznacza najbardziej pustą nicość, jaką możemy osiągnąć, czyli próżnię. Próżnia z definicji nie zawiera materii, cząstek ani energii. Przyłożenie silnego pola magnetycznego do próżni wydaje się beznadziejnym pomysłem, ponieważ pole magnetyczne nie ma na nią żadnego wpływu.

Jednak próżnia nie jest całkowicie pusta, co wynika z zasady nieoznaczoności Heisenberga, będącej kamieniem węgielnym fizyki kwantowej. Próżnia miesza się z aktywnością wirtualnych cząstek, które pojawiają się i znikają na krótkie chwile, tworząc wrzącą zupę fluktuacji kwantowych.

Nasz zespół, wykorzystując zaawansowane symulacje numeryczne oparte na pierwszej zasadzie, wykazał, że wystarczająco silne pole magnetyczne powoduje materializację fluktuacji kwantowych w postaci ciała stałego. To ciało stałe wydaje się być zbudowane z materii podobnej do wiru, przy czym poszczególne wiry są w przybliżeniu opływowe wzdłuż pola magnetycznego. Pod koniec lat 80. XX wieku postawiono hipotezę o istnieniu takiej bryły, a przed naszą pracą brakowało podstawowego dowodu na jej istnienie.

Aby jeszcze bardziej skomplikować nasze odkrycie, wspominamy, że to egzotyczne ciało stałe ma również specyficzne cechy cieczy: wiry kołyszą się i poruszają, jak w cieczy, ale pozostają w przybliżeniu unieruchomione w określonych pozycjach, jak w ciele stałym. W przeciwieństwie do typowego ciała stałego, w żadnym momencie nie obserwujemy żadnej struktury krystalicznej. W przeciwieństwie do cieczy, składniki wirowe tego dziwnego materiału nie wymieniają swoich położeń przestrzennych, jak byśmy się tego spodziewali w przypadku zwykłego ciała stałego.

Co jeszcze bardziej zagadkowe, wyniki naszej analizy silnie sugerują, że ten stan powstały w próżni jest… nadprzewodnikiem. Powiedziawszy to, być może pamiętamy wcześniejszą część tej historii, w której uznano pole magnetyczne za wroga nadprzewodnictwa. Jednak tego ostatniego stwierdzenia nie da się już zastosować do naszego nadprzewodnictwa, które dosłownie rodzi się z niczego… przez to samo pole magnetyczne.

Prawdopodobnie, po stwierdzeniu tych obcych cech nadprzewodnictwa próżniowego, nie jest zaskoczeniem, że ta dziwna nadprzewodząca substancja ciało stałe-ciecz-wir – nazwijmy ją „substancją” – posiada także jeszcze jedną właściwość, nadciekłość. Nadciekłość – elektrycznie obojętny kuzyn nadprzewodnictwa – oznacza, że ​​dana substancja zawiera składnik podobny do płynu, który może płynąć bez lepkości.

Chociaż współautor niniejszego badania z 2010 roku postawił hipotezę o nadprzewodnictwie i nadciekłości próżni, płynna natura stanu wirowego jest zdumiewającą niespodzianką.

Krótko mówiąc, odkryty stan jest jednym z najbardziej egzotycznych „coś” w historii. Może dlatego, że to „coś” powstaje dosłownie z „niczego”.

Dociekliwy czytelnik może teraz zasadnie zapytać, jaka jest siła pola magnetycznego wymagana do wytworzenia tej substancji? Nie jest to coś, co da się zrobić za pomocą, powiedzmy, magnesu na lodówkę. A z jakich dokładnie cząstek wirtualnych jest on stworzony?

Aby osiągnąć stan nadprzewodzącej próżni, pole magnetyczne musi osiągnąć wartość w przybliżeniu 0,74×10²⁰ Tesla (74 exatesla, przy czym jedna exatesla równa się jedności, po której następuje 18 zer). Siła ta jest znacznie większa niż można znaleźć w naszym magnesie na lodówkę, napotkanym podczas badania rezonansem magnetycznym, czy nawet wytworzonym w najbardziej zaawansowanych laboratoriach na Ziemi. Jest znacznie silniejsze niż pole we wnętrzu białych karłów czy nawet wokół najsilniejszego namagnesowanego startu neutronowego, czyli magnetarów.

Jeśli chodzi o zawartość cząstek, nadprzewodnictwo osiąga się poprzez kondensację elektrycznie naładowanych bozonów W. Jednocześnie nadciekłość jest utrzymywana przez współistniejący kondensat obojętnych bozonów Z.

W tym miejscu można zadać jeszcze jedno pytanie: czy jeśli jeszcze bardziej zwiększymy pole magnetyczne, wiry te staną się silniejsze i utworzą kryształ? Odpowiedź jest negatywna. Zamiast tego nasze symulacje ujawniły coś jeszcze bardziej zdumiewającego, co ma coś wspólnego ze słynnym kondensatem Higgsa. Kondensat ten jest elementem Modelu Standardowego, który nadaje masę cząstkom takim jak kwarki i elektrony i tworzy otaczający nas wszechświat takim, jakim go znamy.

Odkryliśmy, że przy wyższym, drugim krytycznym polu magnetycznym o natężeniu 260 exatesla, nadprzewodząca forma próżni „topi się” (w temperaturze zerowej!), przechodząc w kolejny stan, w którym zanika kondensat pola Higgsa. Ten stan wysokiego pola przypomina stan, w którym nasz Wszechświat był młodszy niż jedna pierwsza pikosekunda. Teoretyczna sugestia zaniku kondensatu Higgsa w silnym polu magnetycznym sięga połowy lat 70. XX wieku i została odnaleziona w naszych pracach całkiem niedawno.

Nasze ustalenia nie są jedynie ciekawostką teoretyczną. Zgodnie z hipotezą postawioną w roku 2021 takie silne pola mogą istnieć w atmosferach kwantowych powyżej horyzontów zdarzeń egzotycznych, silnie namagnesowanych czarnych dziur. Dlatego dziwny stan nadprzewodzący – nadciekły – stały – ciekły próżni mógł pojawić się w trakcie ewolucji naszego wszechświata lub nawet mógł istnieć właśnie w tym momencie.

Jest to jednak inna – teraz astrofizyczna – historia.

Ta historia jest częścią dialogu Science X, w którym badacze mogą zgłaszać wnioski z opublikowanych artykułów badawczych. Odwiedź tę stronę, aby uzyskać informacje na temat dialogu ScienceX i sposobu wzięcia w nim udziału.