Naukowcy z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego z zespołu Laboratorium Technologii Nowych Materiałów Funkcjonalnych oraz z Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie wraz z kolegami ze Słowenii, Belgii oraz USA, postanowili zbadać właściwości magnetyczne fluorków dwuwartościowego srebra. Ich motywacją było znalezienie związków, które mogłyby stać się nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi. O badaniach poinformowano w komunikacie na stronie CeNT.

Na razie, aby zaobserwować nadprzewodnictwo, potrzebne są zwykle bardzo niskie temperatury. Stopy metali nadprzewodnikami stają się zwykle dopiero zanurzone w ciekłym helu (temperatura poniżej minus 260 st. C). Wiadomo już, że istnieją związki, które są nadprzewodnikami w temperaturze tak "wysokiej", jak temperatura ciekłego azotu (ok. minus 200 st. C) - należą do nich domieszkowane tlenki miedzi. Naukowcy nie ustają jednak w poszukiwaniach kolejnych tego typu materiałów.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe znacznie ograniczyłyby straty w transporcie prądu elektrycznego (teraz to nawet 30-40 proc.). Gdyby udało się transportować prąd materiałami nadprzewodzącymi w temperaturze pokojowej, zredukowalibyśmy te straty do zera. Nadprzewodnictwo można wykorzystać też np. przy budowie szybszych procesorów terahercowych oraz pociągów poruszających się na poduszce magnetycznej.

W poszukiwaniach nowych nadprzewodników wysokotemperaturowych sporo nadziei wiązano z fluorkami dwuwartościowego srebra.

Zazwyczaj nie zastanawiamy się, dlaczego jedne materiały wytwarzają własne pole magnetyczne, a drugie nie. Okazuje się, że właściwości magnetyczne substancji mają swoje źródło w elektronach. Dokładniej, magnetyzm związany jest z jedną z właściwości elektronu – spinem. Każdy elektron posiada spin, który może przybrać tylko dwa kierunki: „w górę” lub „w dół”. Ze spinem związany jest moment magnetyczny – jeśli niesparowane elektrony bliskich siebie atomów posiadają spiny skierowane zgodnie (w górę lub w dół) to wypadkowy moment magnetyczny jest duży, w przeciwnym przypadku (jeden elektron ma spin w górę, jego sąsiad w dół, itd.), mały lub wręcz zerowy. Właściwości magnetyczne materii zależą więc od tego, w jaki sposób względem siebie ułożone są spiny elektronów.

Właściwości nadprzewodzące można wywołać szczególnie w związkach chemicznych, w których niesparowane elektrony bliskich siebie atomów posiadają spiny skierowane przeciwnie do siebie. Dodatkowym wymogiem dla wystąpienia właściwości nadprzewodzących jest, by elektrony te rozmieszczone były w warstwach.

Dlatego też naukowcy skoncentrowali swoje badania na fluorkach srebra (o stechiometrii M2AgF4, gdzie M jest jednym z metali: sód, potas, rubid, cez). Związki te posiadają budowę warstwową i mają niesparowane elektrony decydujące o ich właściwościach magnetycznych.

W pierwszym kroku badacze przeprowadzili symulacje komputerowe mające na celu przewidzenie struktury krystalicznej i właściwości magnetycznych związków M2AgF4. Dzięki nim odkryli, że w zależności od struktury związki te mogą gościć elektrony o przeciwnych spinach lub też o spinach skierowanych w tę samą stronę. Ten drugi stan magnetyczny, spotykany właśnie w trwałych magnesach znanych z życia codziennego, oznaczałaby koniec marzeń o wytworzeniu nadprzewodników na bazie badanych związków.

„Najciekawszym było jednak odkrycie, że przełączenie z jednego stanu do drugiego następuje w wyniku bardzo niewielkich zmian w strukturze związków, w szczególności bardzo niewielkich odchyleń atomów fluoru” – mówi dr Dominik Kurzydłowski, który przeprowadził większość obliczeń teoretycznych.

Aby ustalić położenie atomów fluoru, badacze musieli użyć skonstruowanej w USA specjalistycznej aparatury umożliwiającej pomiary w bardzo wysokich polach magnetycznych. Dodatkową komplikacją przy przeprowadzaniu eksperymentów była duża reaktywność badanych związków, które w przeciągu sekund ulegają rozkładowi na powietrzu.

Dzięki jednak ścisłej współpracy wszystkich osób zaangażowanych w projekt udało się otrzymać dane, które pozwoliły jednoznacznie określić położenie atomów fluoru. Otrzymane wyniki wskazywały, że pozycje zajmowane przez atomy fluoru powodują, iż związki o wzorze M2AgF4 zawierają elektrony o spinach skierowanych w tę samą stronę. Fakt ten sprawia, iż związki te nie stanowią dobrych kandydatów na nadprzewodniki wysokotemperaturowe.

Pomimo to przeprowadzone badania stanowią ważny krok w zrozumieniu, dlaczego fluorki dwuwartościowego srebra przyjmują określoną strukturę krystaliczną i w jakiś sposób wpływa ona na ich właściwości magnetyczne.

Naukowcy nie składają jednak broni w poszukiwaniu nowych nadprzewodników wysokotemperaturowych. Jednym z ich najbliższych celów będzie zbadanie, czy mogą zmienić w odpowiedni sposób strukturę fluorków dwuwartościowego srebra, używając wysokiego ciśnienia (przekraczającego 10 000 atm).

Artykuł "Crystal, electronic, and magnetic structures of M2AgF4 (M = Na–Cs) phases as viewed from the DFT+U" method ukazał się w czasopiśmie "Dalton Transactions", zaś artykuł "Local and Cooperative Jahn−Teller Effect and Resultant Magnetic Properties of M2AgF4 (M = Na−Cs) Phases ukaże się w czasopiśmie "Inorganic Chemistry".

PAP - Nauka w Polsce

lt/ mrt/