Nadprzewodnik bez prasy. Trzy warstwy atomów zrobiły to, czego nie umiało 14 gigapaskali

W Shenzhen fizyk Zhuoyu Chen kazał maszynie ułożyć trzy warstwy atomów. Potem zmierzył opór i zobaczył liczbę, której nikt wcześniej nie odczytał bez prasy diamentowej: 45 kelwinów.

Trzy warstwy atomów w komorze

Zhuoyu Chen patrzy na ekran. W komorze próżniowej jego laboratorium na Południowym Uniwersytecie Nauki i Technologii w Shenzhen laser odparowuje na przemian dwa cele — tlenek lantanu i tlenek niklu. Atom po atomie, warstwa po warstwie, jak murarz kładący cegły, tylko każda cegła ma rozmiar pojedynczego atomu.

Chen nie robi tego pierwszy raz. Maszyna, którą jego zespół nazwał GOALL-Epitaxy, potrafi układać tlenki z precyzją lepszą niż jeden procent. Ale tym razem stawka jest inna. Film, który rośnie pod laserem, ma dokładnie trzy komórki elementarne grubości — niecałe siedem nanometrów, mniej niż średnica wirusa grypy.

Gdy film schładzają, opór elektryczny zaczyna spadać. W temperaturze 45 kelwinów, czyli minus 228 stopni Celsjusza, krzywa załamuje się w dół. Chen widzi to, czego nikt wcześniej nie zobaczył bez prasy diamentowej: nadprzewodnictwo powyżej granicy 40 kelwinów, przy zwykłym ciśnieniu atmosferycznym.

A teraz rzecz, która nie ma prawa się zgadzać. Żeby osiągnąć ten sam stan w krysztale objętościowym, trzeba go było ścisnąć siłą 14 gigapaskali — czyli 140 tysięcy atmosfer. To jakby postawić na jednym centymetrze kwadratowym wagę ponad stu samochodów osobowych. A Chen osiągnął to samo, ściskając warstwę atomów o zaledwie dwa procent.

Nie zdusił kryształu. Rozciągnął go na podłożu.

140 tysięcy atmosfer w imadle

Historia zaczyna się dekadę wcześniej, po drugiej stronie Pacyfiku. W 2019 roku Harold Hwang z Uniwersytetu Stanforda odkrył, że nieskończenie cienkie warstwy niklanu neodymu — kuzyna słynnych miedzianów, czyli nadprzewodników wysokotemperaturowych — też potrafią nadprzewodzić. Było to ledwie 15 kelwinów, ale wystarczyło, by świat fizyki oszalał.

Bo nikle to nowa rodzina materiałów o strukturze niemal identycznej z miedzianami, ale o innej chemii orbitali — a każdy fizyk materii skondensowanej wie, że drugi sposób na ten sam problem to często droga do jego zrozumienia.

Prawdziwy wstrząs przyszedł w 2023 roku. Zespół Sun Hualei z Instytutu Fizyki Chińskiej Akademii Nauk ogłosił w „Nature", że dwuwarstwowy niklan La₃Ni₂O₇ nadprzewodzi w 80 kelwinach. Osiemdziesiąt. To więcej niż temperatura wrzenia ciekłego azotu, czyli 77 kelwinów — granica, powyżej której chłodzenie przestaje być kosztowne.

Był tylko jeden haczyk. Żeby niklan osiągnął te 80 kelwinów, trzeba go było wcisnąć w kowadło diamentowe i ścisnąć do 14 gigapaskali. To ciśnienie, które w naturze panuje około 400 kilometrów pod powierzchnią Ziemi.

Chen śledził te doniesienia uważnie. Problem był prosty do wypowiedzenia, a piekielnie trudny do rozwiązania: nadprzewodnik, który działa tylko w prasie diamentowej, jest bezużyteczny. Nie da się z niego zbudować kabla ani magnesu.

Film, który nie chciał nadprzewodzić

Chen i jego czterej pierwsi autorzy — Guangdi Zhou, Wei Lv, Heng Wang i Zihao Nie — spędzili miesiące na próbach. Ich pierwszy cel był pozornie prosty: wyhodować czysty film La₃Ni₂O₇ i sprawdzić, czy nadprzewodzi przy normalnym ciśnieniu.

Nie nadprzewodził.

W pomiarach, które zespół opisał potem w materiałach uzupełniających, czysty film pokazywał jedynie „niewielki spadek oporu przy około 10 kelwinach, nie osiągając zerowego oporu". Po ludzku: materiał niemal nadprzewodził, ale nie do końca. Opór malał, lecz nie znikał. To najgorszy możliwy wynik — za blisko sukcesu, żeby się poddać, za daleko, żeby cokolwiek z niego zbudować.

Potem dopadł ich problem z tlenem. Filmy niklanu okazały się tak głodne tlenu, że powyżej 200 kelwinów, w warunkach choćby lekko niedoskonałej próżni, traciły atomy tlenu i nadprzewodnictwo umierało. Zespół musiał trzymać próbki w zimnie i opracować cały rytuał wygrzewania w ozonie — trzydzieści minut w 575 stopniach Celsjusza pod ciśnieniem 15 paskali ozonu — tylko po to, by tlen został tam, gdzie powinien.

Chen testował też różne tempo chłodzenia: 50 stopni na minutę, 60 stopni na minutę. Żadnej różnicy. Ślepe zaułki, których nie zapisuje się w tytule publikacji. Pochłaniają tygodnie.

To była porażka, której nie dało się obejść sprytem. Cała dziedzina tkwiła w niej od dwóch lat: wszyscy wiedzieli, że dwuwarstwowe nikle nadprzewodzą pod ciśnieniem, ale nikt — ani w Stanach, ani w Chinach, ani w Europie — nie potrafił uzyskać tego samego przy ciśnieniu pokojowym.

Zamiast ściskać — rozciągnąć

Przełom nie polegał na lepszym krysztale. Polegał na zmianie pytania.

Po co ściskać materiał z zewnątrz, skoro można go rozciągnąć od środka? Chen zrozumiał, że ciśnienie robi tylko jedną rzecz: ściska sieć krystaliczną i zmusza atomy do ustawienia się w fazie tetragonalnej, która nadprzewodzi. A jeśli tak, to ten sam efekt można wywołać inaczej — przez położenie cienkiej warstwy na podłożu o odrobinę mniejszej stałej sieci.

Podłoże SrLaAlO₄ ma stałą sieci 3,75 angstremów. Swobodny niklan ma 3,832 angstremów. Różnica? Około dwóch procent. Kiedy Chen kazał maszynie wyhodować trzykomórkowy film niklanu na tym podłożu, sieć filmu musiała dopasować się do podłoża i ścisnęła się o te dwa procent — dokładnie tak, jakby ścisnęła ją prasa, tylko bez prasy.

Kluczem okazał się też domieszkowany pierwiastek. Czysty La₃Ni₂O₇ nie chciał współpracować — dlatego zespół zastąpił część lantanu prazeodymem i otrzymał La₂,₈₅Pr₀,₁₅Ni₂O₇. Prazeodym, o mniejszym promieniu jonowym, poprawił czystość struktury dwuwarstwowej i ułatwił dyfuzję strontu z podłoża.

Efekt? Początek przejścia nadprzewodzącego przy 45 kelwinach. Zero oporu przy niższej temperaturze. Efekt Meissnera — wypychanie pola magnetycznego, sygnatura prawdziwego nadprzewodnictwa — potwierdzony niezależnym pomiarem.

To wciąż nie jest 77 kelwinów. Ale Chen otworzył drzwi, o które od dekady obijała się cała dziedzina: nikle można teraz badać i — być może — używać bez kowadła diamentowego.

Wyścig, którego nikt nie widzi

Chen nie biegł sam. Gdy jego preprint trafił na arXiv w grudniu 2024 roku, po drugiej stronie Pacyfiku Harold Hwang — ten sam fizyk, który w 2019 roku odkrył pierwszy niklan nadprzewodzący — pracował nad identycznym pomysłem. Miesiąc później grupa ze Stanforda i SLAC opublikowała własny wynik: nadprzewodnictwo w naprężonych filmach La₂PrNi₂O₇, też przy ciśnieniu pokojowym.

Dwa laboratoria. Dwa kontynenty. Jedno rozwiązanie — inżynieria naprężeń.

Do wyścigu dołączyły kolejne zespoły. W Nanjing domieszkowanie strontem dało nadprzewodnictwo w cienkich filmach niklanu. W Tokio zespół Motokiego Osady z RIKEN pokazał, że przez zmianę podłoża można przestrajać temperaturę przejścia w zakresie aż 50 kelwinów — od 10 do 60 kelwinów — tylko doborem tego, na czym film rośnie.

Chen w tym wyścigu prowadzi. Jego 45 kelwinów to najwyższa temperatura przejścia osiągnięta w niklanach przy ciśnieniu atmosferycznym. Ale prowadzenie jest kruche: wszyscy gonią tę samą granicę 77 kelwinów.

Po co komu nadprzewodnik w 45 kelwinach

Nadprzewodniki to cichy fundament nowoczesnej techniki. Każdy skaner rezonansu magnetycznego, każdy magnes w zderzaczu cząstek, każdy kubit w komputerze kwantowym opiera się na materiale, który w niskiej temperaturze przewodzi prąd bez żadnego oporu.

Rynek nadprzewodników szacuje się na około 8–9 miliardów dolarów rocznie, a jego największą część stanowią magnesy do MRI. Ale to, co naprawdę napędza wyścig, to trzy cele.

Pierwszy to fuzja jądrowa. Reaktor SPARC amerykańskiej firmy Commonwealth Fusion Systems ma zawierać nadprzewodzące magnesy z taśmy REBCO, zdolne wytworzyć pole 20 tesli. Każdy taki reaktor to setki kilometrów nadprzewodzącego drutu.

Drugi to komputery kwantowe. Kubity nadprzewodzące — te z maszyn Google'a i IBM — wymagają materiałów o idealnie kontrolowanych właściwościach. Cienkie warstwy to dokładnie ta forma, w której się je wytwarza.

Trzeci to bezstratny przesył energii. Kable nadprzewodzące potrafią przenieść wielokrotnie więcej prądu niż miedziane o tym samym przekroju, ale dzisiejsze nadprzewodniki wysokotemperaturowe to kruche ceramiki, z których niezwykle trudno zrobić elastyczny drut.

Nikle są inne. Rosną jako cienkie warstwy — a cienkie warstwy to dokładnie ta forma, w której produkuje się elektronikę. Granica, o którą walczy cała dziedzina, to 77 kelwinów. Powyżej niej chłodzenie robi się tanie — wystarczy ciekły azot, który kosztuje grosze za litr, zamiast ciekłego helu, którego cena potrafi sięgać dziesiątek dolarów za litr.

Chen pokazał, że nikle są o krok od tej granicy. I że drogą do niej jest inżynieria naprężeń, nie prasa.

Wrocław ma niskie temperatury

Polska nie hoduje niklanów nadprzewodzących. Ale ma dokładnie te cegiełki, z których taka praca się składa.

We Wrocławiu działa Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN — instytucja, która od dekad bada nadprzewodnictwo i magnetyzm w ekstremalnie niskich temperaturach. Na Politechnice Warszawskiej Piotr Guńka publikuje o nadprzewodnikach klatratowych — materiałach, w których metal zamknięty w klatce z boru nadprzewodzi pod ciśnieniem. Na AGH w Krakowie zespół Macieja Wielgosza i Andrzeja Skoczenia współtworzył międzynarodową mapę drogową, jak sztuczna inteligencja ma przyspieszyć poszukiwanie nowych nadprzewodników.

Jest też strona warsztatowa. Na Politechnice Wrocławskiej grupa Przemysława Borowskiego i Jarosława Myśliwca rozwija rozpylanie magnetronowe — tę samą rodzinę technik osadzania cienkich warstw, którą Chen doprowadził do perfekcji w Shenzhen.

A popyt jest realny i rośnie. Polska uczestniczy w europejskim programie fuzji jądrowej przez Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy — a każdy reaktor fuzyjny, od ITER po amerykański SPARC, potrzebuje nadprzewodzących magnesów. Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe buduje kompetencje w obliczeniach kwantowych, gdzie nadprzewodzące kubity są standardem.

Brakuje jednego ogniwa: zespołu, który połączy polskie osadzanie cienkich warstw z niklami nadprzewodzącymi. To nie jest praca dla pojedynczego doktoranta. To projekt na skalę narodowego laboratorium — i dokładnie taki moment, w którym Chen pokazał, że się opłaca.

Źródła

Zhou G., Lv W., Wang H., Nie Z., Chen Y., Li Y., Huang H., Chen W., Sun Y., Xue Q.-K., Chen Z., Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in bilayer nickelate ultrathin films, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08755-z

Sun H. et al., Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure, Nature 621, 493–498 (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06408-7

Li D. et al., Superconductivity in an infinite-layer nickelate, Nature 572, 624–627 (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1496-5

Wang N. et al., Bulk high-temperature superconductivity in pressurized tetragonal La₂PrNi₂O₇, Nature 634, 579–584 (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07996-8

Liu Y. et al., Superconductivity and normal-state transport in compressively strained La₂PrNi₂O₇ thin films, Nature Materials 24, 1221–1227 (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02258-y

Zhou G. et al., Gigantic-oxidative atomic-layer-by-layer epitaxy for artificially designed complex oxides, National Science Review (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae429