Veliki uspeh slovenskega fizika

Jure Kokalj je z metodo, razvito na IJS, potrdil eksperiment ameriških in kanadskih kolegov ter omogočil preboj v raziskovanju lastnosti elektronov v kristalu.
Objavljeno
17. januar 2019 06.00
Posodobljeno
17. januar 2019 08.21
Fizik doc. dr. Jure Kokalj je asistent za fiziko na ljubljanski fakulteti za gradbeništvo in geodezijo in sodelavec odseka za teoretično fiziko na Institutu Jožef Stefan. FOTO: Voranc Vogel7Delo
Ob začetku novega leta se tudi v znanosti radi oziramo nazaj in ugotavljamo, kaj je minulo leto, desetletje ali celo stoletje najbolj označevalo. Če pogledamo skozi časovno okno zadnjih sto let, bi se med tisto, kar je med raziskovalci najbolj spodbujalo raziskovalno vnemo, vsaj v fiziki zagotovo uvrstila superprevodnost.

Pojav, ko snov lebdi nad drugo, pri čemer se lahko glede na njo premika brez trenja in obrabe, in ko električna upornost nekaterih snovi tako rekoč izgine ali pa je magnetno polje iz njih povsem izrinjeno, omogoča neslutene tehnološke možnosti. S temi bi lahko odpravili marsikatero oviro na poti v tako zelo aktualen trajnostni način življenja – če bi superprevodnost znali vzdrževati pri sobni temperaturi.

image
Članek v reviji Science, pri katerem je sodeloval tudi dr. Jure Kokalj, opisuje lastnosti elektronov v kristalu, ki bi lahko olajšale pot do superprevodnosti pri sobni temperaturi. FOTO: Shutterstock

Kaj je superprevodnost

Pojav, ko snov lebdi nad drugo, pri čemer se lahko glede na njo premika brez trenja in obrabe, in ko električna upornost nekaterih snovi tako rekoč izgine ali pa je magnetno polje iz njih povsem izrinjeno.


Po stotih letih intenzivnega raziskovanja, ko so bili dosežki na področju razumevanja superprevodnosti nagrajeni z več Nobelovimi nagradami, pa smo kljub temu šele pri prvih korakih poviševanja sicer izjemno nizke temperature, pri kateri je superprevodnost mogoča. Zato je med znanstveniki veliko pozornost pritegnila objava članka v decembrski reviji Science o preboju pri raziskovanju lastnosti elektronov v kristalu, kar utegne olajšati pot do superprevodnosti pri sobni temperaturi.
 

Slovenski prispevek


»Pri eksperimentu gre za simuliranje pravega kristala, kjer vlogo atomov v kristalu prevzame stoječe valovanje laserske svetlobe, vlogo elektronov pa prevzamejo atomi v močno ohlajenem plinu.«
V slovenskih raziskovalnih krogih je objava vzbudila še posebno pozornost, saj je med tistimi, ki imajo zasluge za ta preboj in so avtorji članka, tudi slovenski fizik doc. dr. Jure Kokalj, asistent za fiziko na ljubljanski fakulteti za gradbeništvo in geodezijo ter sodelavec odseka za teoretično fiziko na Institutu Jožef Stefan. Skupaj z raziskovalci na sloviti ameriški univerzi Princeton in kanadski univerzi Sherbrooke mu je uspelo prek numeričnih simulacij opisati zahteven eksperiment, povezan z vedenjem elektronov v visokotemperaturnih superprevodnikih. Z metodo, ki so jo razvili na IJS, je v nekaj mesecih preračunavanja na okoli tisoč procesorjih potrdil eksperiment ameriških in kanadskih kolegov ter s tem zagotovil preboj pri raziskovanju lastnosti elektronov v kristalu.

Dosežek, ki je med drugim odmeval po strokovnih blogih, ima zelo velik tehnološki potencial, saj utegne pospešiti razvoj visokotemperaturnih superprevodnikov. Po besedah 38-letnega slovenskega raziskovalca je dosežek pomemben tudi za teoretično fiziko – osnovno področje dr. Kokalja.

»Ponuja nam dolgo iskano možno razlago obnašanja upornosti,« je Kokalj omenil v pogovoru za Delo in pojasnil, da ga je prav želja po boljšem razumevanju upornosti privedla do raziskav in znanja, zaradi katerega so ga znanstveniki s Princetona povabili k sodelovanju.
 

Begajoča upornost


Že vse od odkritja visokotemperaturne superprevodnosti leta 1986 (mimogrede, prav s tem odkritjem se časovno ujema začetek izhajanja tedenskih strani Znanosti v Delu) se raziskovalci trudijo razumeti kovinsko stanje materialov, ki so pri zelo nizkih temperaturah superprevodni, pri višanju temperature pa superprevodnost izgubijo. »Razumevanje kovinskega stanja je ključ do razumevanja visokotemperaturne superprevodnosti in s tem do izrabe njenega velikega tehnološkega potenciala,« je pojasnil dr. Kokalj, ki se je z upornostjo v superprevodnih materialih začel ukvarjati med podoktorskim izpopolnjevanjem na queenslandski univerzi v Brisbanu leta 2012. Tam je proučeval obnašanje nabojne susceptibilnosti ter potrdil lastno domnevo, da mora biti susceptibilnost tesno povezana z električno upornostjo.

»Ena od osnovnih in tudi najprej opravljenih meritev na teh materialih je meritev električne upornosti. Zanimivo je, da visokotemperaturni superprevodniki, ki imajo v superprevodnem stanju upornost nič, v kovinskem stanju kažejo presenetljivo veliko upornost, poleg tega z višanjem temperature ta še dodatno narašča. Velika upornost pomeni majhno prevodnost, zato materiale v takšnem stanju imenujemo 'slabe kovine',« pojasnjuje Jure Kokalj.

Da je potrdil lastno domnevo, je opravil precej zapleteno matematično izpeljavo. Ko je končno rešil to matematično uganko, pa se je izkazalo, da je ta povezava že dolgo znana, in sicer pod imenom Nernst-Einsteinova relacija, prek katere je upornost določena z nabojno susceptibilnostjo in difuzijsko konstanto. »Nabojna susceptibilnost določa, koliko elektronov se želi zaradi električne napetosti prerazporediti, difuzijska konstanta pa, kako hitro se lahko elektroni prerazporejajo oziroma difundirajo po kristalu,« razlaga Kokalj.

Kako je mogoče, da kot navdušen matematik (v srednji šoli je med letoma 1991 in 1995 na tekmovanjih v matematiki in fiziki pobral vsa Vegova in Stefanova priznanja) ni poznal Nernst-Einsteinove relacije in kakšen občutek je imel, ko je po opravljenem delu ugotovil, da je bilo nepotrebno?

Slabe kovine

»Ena od osnovnih in najprej opravljenih meritev na superprevodnih materialih je meritev električne upornosti, ki pa se je izkazala za eno tistih količin, ki jo je najtežje razumeti. Zanimivo je, da visokotemperaturni superprevodniki, ki imajo v superprevodnem stanju upornost nič, v kovinskem stanju kažejo presenetljivo veliko upornost, veliko večjo kot običajne kovine, na primer baker pri enaki temperaturi, poleg tega z višanjem temperature upornost še narašča. Velika upornost seveda pomeni majhno prevodnost, zato materiale v takšnem stanju imenujemo 'slabe kovine',« pojasnjuje Jure Kokalj.


»Ta relacija v fiziki ni tako zelo znana, zanjo vedo predvsem kemiki,« odvrne in še pove, da ga spoznanje, da je izpeljeval nekaj, kar je bilo že izpeljano, sploh ni spravilo v slabo voljo. »Nasprotno, vesel sem bil, da sem, sicer po svoji in težji poti, prišel do enakega rezultata. Nernst-Einsteinova relacija je potrdila, da so bili moji rezultati pravilni, in mi omogočila nov pristop k obravnavi upornosti.«
 

Klic s Princetona


500

megavatnih ur električne energije na leto se v obliki toplote izgubi v Sloveniji.
Kokaljevi prvi numerični rezultati so pokazali, da je obnašanje susceptibilnosti neobičajno, in potrdili možnost njenega velikega vpliva na obnašanje upornosti. Leta 2017 je v reviji Physical Review B predstavil rezultate računalniških simulacij in poudaril pomembno vlogo susceptibilnosti pri upornosti, pa tudi da za potrditev te vloge primanjkuje pravih meritev.

Kmalu po tej objavi so ga poklicali z univerze Princeton. Povedali so mu, da imajo meritve, in ga prosili, ali bi sodeloval pri njihovi interpretaciji. Njihove meritve so namreč kazale podobno obnašanje kot Kokaljevi rezultati in so bile narejene za isto vrsto materialov.

30

milijonov evrov državo stanejo te izgube.
Raziskovalcem na Princetonu je prvič uspelo ustvariti razmere v hladnem plinu, ki ustrezajo razmeram v pravem kristalu. Nato so dosegli neravnovesno stanje gostote plina z zunanjo motnjo in opazovali, kako se v plinu po izključitvi motnje ponovno vzpostavlja ravnovesno stanje. S tem so izmerili difuzijsko konstanto. Z meritvami porazdelitve gostote plina po prostoru, v katerem je plin ujet, pa so določili še susceptibilnost in nato z Nernst-Einsteinovo relacijo še upornost.

»Pokazalo se je, da je ravno Nernst-Einsteinova relacija omogočila meritev upornosti v prav posebnem, zelo zanimivem eksperimentu s hladnimi atomi na optični mreži,« pojasnjuje Kokalj.

»V tem eksperimentu gre v resnici za simuliranje pravega kristala, kjer vlogo atomov v kristalu prevzame stoječe valovanje laserske svetlobe, vlogo elektronov pa prevzamejo atomi v močno ohlajenem plinu. Izkaže se, da podobno kot elektrone privlačijo atomi v kristalu, tudi atome v hladnem plinu privlačijo mesta s šibko ali močno lasersko svetlobo, torej vozli ali hrbti stoječega valovanja. Poleg tega pa se atomi v hladnem plinu lahko premikajo med vozli in hrbti in se med seboj odbijajo, kar je podobno premikanju elektronov med atomi v kristalu in njihovemu medsebojnemu odboju. Tako lahko elektrone v kristalu in hladne atome v laserski svetlobi pod določenimi pogoji opišemo s tako rekoč identičnim kvantnomehanskim modelom.«
 

Poskus na hladnih atomih


Glavna prednost poskusa na hladnih atomih je ta, da raziskovalci, drugače kot pri poskusih z elektroni v kristalu, lahko nadzirajo razmere, v katerih so hladni atomi. Poleg tega lahko z atomi manipulirajo in merijo lege posameznih atomov. Podoben eksperiment poteka tudi v Sloveniji, in sicer v laboratoriju IJS za hladne atome pod vodstvom dr. Petra Jegliča.

Najhladnejša točka v vesolju

V eksperimentu na hladnih atomih lahko raziskovalci atome ohladijo na nekaj milijardink stopinje nad absolutno ničlo, pri kateri bi bili atomi na primer popolnoma pri miru. Oblak takšnih atomov je tako lahko najhladnejša točka v vesolju.


Tako na Princetonu kot na univerzi v Sherbrooku in še drugje so opravili veliko računalniških simulacij, a so se prav Kokaljeve, izvedene z metodo, ki sta jo na odseku za teoretično fiziko IJS leta 1994 razvila prof. dr. Peter Prelovšek in dr. Janez Jaklič, izkazale za najuspešnejše.

Raziskovalcem je tako prvič uspelo z eksperimentom na hladnih atomih dovolj dobro poustvariti dogajanje v kristalu in odgovoriti na vprašanja o elektronskih lastnostih materialov. Kaj dr. Kokalj pričakuje v prihodnje?

»Lahko si obetamo še več takšnih dosežkov. Eden glavnih izzivov in želja raziskovalcev je uspešno simulirati, tako z eksperimentom na hladnih atomih kot z numeričnimi metodami, elektrone v kristalu pri še nižjih temperaturah in s tem razumeti obnašanje kovinske faze še bliže superprevodni fazi.«
 

Brez trenja, obrab in izgub


Razumevanje visokotemperaturne superprevodnosti ima velik tehnološki potencial, saj utegne pospešiti razvoj superprevodnikov, pri katerih bi bila superprevodnost obstojna do višjih temperatur. To pa bi lahko prineslo zelo velike prihranke. Z uporabo superprevodnih materialov bi lahko, na primer, izgube elektrike pri prenosu od elektrarn do uporabnikov bistveno zmanjšali.


TED predavanje o upornosti in superprevodnosti Vir Youtube

»Trenutno se okoli dva odstotka električne energije izgubi v obliki toplote. V Sloveniji to na leto znese približno 500 megavatnih ur, kar stane 30 milijonov evrov,« pravi Jure Kokalj. Pri tem omeni, da lahko s superprevodniki izdelamo tudi zelo močne elektromagnete, s katerimi ustvarimo pojav levitacije oziroma nekakšnega lebdenja nad magnetom. »Uporaba lebdenja pri transportu bi močno zmanjšala izgube energije zaradi trenja med vrtečimi se deli in zaradi stika s podlago ter omogočila večje hitrosti. To že uporabljajo pri hitrih vlakih maglev, našli pa bi lahko še vrsto drugih oblik uporabe,« je prepričan.

Kakšen pa vidi svet, če nam bo nekoč uspelo doseči superprevodnost pri temperaturah, ki so običajne v našem okolju? »Mislim, da bo vse tako zelo drugače, da si na to vprašanje ne upam odgovoriti.«