Laboratorij za hladne atome na IJS. Foto: IJS/Arne Hodalič

Jure Kokalj je sodelavec Odseka za teoretično fiziko na Institutu "Jožef Stefan" in asistent za fiziko na ljubljanski Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo. Skupaj z raziskovalci na Univerzi Princeton v ZDA in na Univerzi v Sherbrooku v Kanadi mu je uspelo preko numeričnih simulacij opisati zahteven eksperiment, povezan z obnašanjem elektronov v materialih, ki jim pravimo visokotemperaturni superprevodniki.

Z metodo, razvito na IJS-ju, je Kokalj potrdil eksperiment ameriških in kanadskih kolegov ter tako zagotovil preboj pri raziskovanju lastnosti elektronov v kristalu. Kot je pojasnil Kokalj, dosežek, ki so ga objavili v prestižni reviji Science, predstavlja pomemben korak za razumevanje visokotemperaturne superprevodnosti ter prinaša priložnosti za razvoj boljših in tehnološko bolj uporabnih materialov.

Dosežek je namreč pomemben tako za področje teoretične fizike, kjer med drugim ponuja možno razlago obnašanja upornosti, kot tudi za tehnološke aplikacije. Razumevanje visokotemperaturne superprevodnosti ima namreč zelo velik tehnološki potencial, saj bi lahko pospešilo razvoj visokotemperaturnih superprevodnikov.

Eksperiment s hladnimi atomi. Foto: IJS

Letno izgubimo 500 MW elektrike oziroma 30 milijonov evrov

Superprevodnost namreč omogoča prenos električne energije brez izgub, zato bi z uporabo superprevodnih materialov lahko bistveno zmanjšali izgube elektrike pri prenosu od elektrarn do uporabnikov. Trenutno se namreč okoli dva odstotka električne energije izgubita v obliki toplote, kar na letni ravni znaša 500 megavatnih ur oziroma 30 milijonov evrov.

Po drugi strani pa lahko s superprevodniki ustvarijo zelo močne elektromagnete ter pojav levitacije oz. 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. Superprevodnike že uporabljajo pri hitrih vlakih na magnetni bazi (maglev) na Japonskem. Hkrati pa bi ti materiali zaradi teh lastnosti našli še vrsto drugih uporab v tehnologiji.

Že vse od odkritja visokotemperaturne superprevodnosti leta 1986 se raziskovalci po celem svetu trudijo razumeti kovinsko stanje teh materialov, ki se pojavi, ko temperaturo iz zelo nizkih vrednosti, na primer manj kot 150 stopinj Celzija, pri katerih je superprevodnost obstojna, zvišamo do te mere, da superprevodnost izgine. Razumevanje kovinskega stanja je namreč ključ do razumevanja visokotemperaturne superprevodnosti in s tem do koriščenja njenega velikega tehnološkega potenciala.

Raziskovalec dr. Jure Kokalj

Upornost superprevodnikov

Ena izmed 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 visoko upornost, poleg tega pa z višanjem temperature upornost še dodatno narašča. Velika upornost pomeni majhno prevodnost in zato materiale v takšnem stanju imenujemo "slabe kovine".

Dosežek je plod večletnega raziskovalnega dela, s katerim je Kokalj začel že leta 2012 v okviru podoktorskega izpopolnjevanja, kjer je preučeval obnašanje nabojne susceptibilnosti ter uspel potrditi lastno domnevo, da mora biti susceptibilnost tesno povezana z električno upornostjo. Izkazalo se je, da je ta povezava že dolgo znana, in sicer pod imenom Nernst - Einsteinova relacija, preko katere je upornost določena z nabojno susceptibilnostjo in difuzijsko konstanto.
Nabojna susceptibilnost namreč določa, koliko elektronov se želi zaradi prisotnosti električne napetosti prerazporediti, difuzijska konstanta pa določa, kako hitro se lahko elektroni prerazporejajo oziroma difundirajo po kristalu.

Kokalja poklicali iz Univerze Princeton

Leta 2017 je Kokalj v reviji Physical Review B predstavil rezultate računalniških simulacij ter poudaril pomembno vlogo nabojne susceptibilnosti za obnašanje upornosti in tudi, da za potrditev te vloge primanjkuje pravih meritev.

Po objavi so Kokalja kontaktirali raziskovalci z Univerze Princeton ter mu sporočili, da sami imajo meritve in ga hkrati povabili k sodelovanju pri interpretaciji njihovih meritev, ki so kazale podobno obnašanje kot rezultati Kokalja in so bile narejene za isto vrsto materialov. Raziskovalci so nato izvedli uspešni simulaciji teh elektronov z ultra hladnimi atomi na optični mreži ter z numerično obravnavo ustreznega kvantnomehanskega modela ter dobili dobro ujemanje z meritvami.

Od vseh simulacij, ki so jih naredili, so se prav simulacije Kokalja izkazale za najuspešnejše. Poleg tega so bile simulacije narejene z metodo, ki sta jo na Odseku za teoretično fiziko IJS leta 1994 razvila Peter Prelovšek in Janez Jaklič. Dosežek je zato po navedbah IJS veliko priznanje tako za Kokalja kot za celotno delo Odseka za teoretično fiziko IJS in Fakultete za gradbeništvo in geodezijo Univerze v Ljubljani.