Kvantová exotika v českých laboratořích

Mezinárodní tým vědců v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR pracuje na zdánlivě nenápadném projektu. Zkoumá srážky molekul s volnými elektrony, při nichž dochází k různým kvantovým exotickým efektům. Díky unikátním laboratořím je v Česku dokážeme studovat nejspíš nejlépe na světě.  Elektronové srážky však ukazují, jak může mít čistě základní výzkum nečekané aplikace v praxi. Na jejich výsledky teď navazuje praktický výzkum, který směřuje k nahrazení skleníkových plynů SF₆ používaných ve vysokonapěťových izolacích. Ty nalezneme téměř ve všech elektrárnách a rozvodnách na světě a v současnosti za ně neexistuje náhrada.

Komár létá moc rychle

Výzkum se zaměřuje na popis tzv. rezonancí, tj. shluků molekul s elektrony, které vznikají při střetech molekul s elektrony ve vysokém vakuu, při tlaku řádově miliardkrát nižším, než má naše atmosféra. K vytvoření těchto krátce žijících komplexů je zapotřebí nízká rychlost, pohybující se v jednotkách elektronvoltů (jen pro srovnání: elektrony ve dříve používaných televizních obrazovkách mají energii okolo dvaceti tisíc elektronvoltů, energie letícího komára je přibližně bilion elektronvoltů).  „Rád používám srovnání mírně přitažená za vlasy, např. že máme k chemii podobný přístup, jako mají lidé v CERNu přístup k částicové fyzice: srážíme navzájem různé věci. Jenže my to děláme při mnohem nižších energiích,“ vysvětluje Juraj Fedor, který v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR působí v rámci Fellowship J. E. Purkyně (finanční podpora Akademie věd ČR pro nadané zahraniční vědce).

Elektron přilepený k molekule

Při těchto rychlostech se elektron na krátký čas přilepí k molekule, čímž vznikne komplex nazývaný rezonance. Na nich dokážou vědci velmi detailně sledovat ultrarychlou dynamiku pohybu atomů v molekulách i exotické kvantové efekty, při nichž se částice chovají jinak než v převážné většině běžných chemických reakcí. Mezinárodní tým vedený Jurajem Fedorem popsal nově objevený druh takového komplexu: rezonanci se smíšenou symetrií. Výsledky výzkumu již publikoval ve spolupráci s Ústavem teoretické fyziky MFF UK v prestižním Physical Review Letters. „Domníváme se, že právě tato rezonance hraje úlohu v tom, jak vede dopad elektronu k rozpadu velkého množství různých molekul,“ uvádí Fedor, který dříve působil na univerzitě ve švýcarském Friburgu. Švýcarská univerzita Praze zapůjčila část experimentální infrastruktury, se kterou tým pracuje.

Co se děje v izolačních plynech

K velkému množství srážek molekul s volnými elektrony dochází mimo jiné v takzvaných izolačních plynech. Ty dokážou přerušit elektrický výboj a používají se proto jako bezpečnostní náplň v elektrických izolacích a rozvaděčích vysokého napětí. Po desetiletí se používá fluorid sírový (SF₆), který je však zároveň velmi silným skleníkovým plynem (pokud by se zařízení poškodilo a plyn unikl do ovzduší). „Vzhledem k současné environmentální politice je velký administrativní tlak na jeho zákaz. Jediný důvod, proč není zakázaný už nyní, je, že za něj neexistuje náhrada,“ doplňuje Fedor.

Právě na nalezení náhrady za tento plyn nyní pracuje jeho skupina v rámci projektu Technologické agentury ČR ve spolupráci s vývojovým střediskem firmy Eaton v Roztokách. Výsledkem této spolupráce by měl být funkční prototyp vysokonapěťového spínače. „Tyto spínače se používají prakticky v každé elektrárně či rozvodně na světě,“ popisuje Fedor důležitost projektu. I díky vědcům z Ústavu Jaroslava Heyrovského tak můžeme doufat, že náhradu najdou a možné emise skleníkových plynů se v této oblasti lidské činnosti podaří eliminovat.

Poznámka:

Juraj Fedor působí v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského od roku 2015 v rámci programu Fellowship J. E. Purkyně, jehož cílem je přilákat do České republiky významné a zkušené vědce. Dříve působil na univerzitě ve Friburgu ve Švýcarsku. Jeho skupina je složena z dalších tří až čtyř zahraničních vědců. Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského se obecně soustřeďuje zejména na výzkum struktury a reaktivity látek na atomární a molekulární úrovni. Výsledky své práce nabízí k využití v medicíně, průmyslu, vzdělání a potažmo i běžném životě.

Poznámka k obrázku: Trochoidální spektrometr separuje částice pomocí vzájemně kolmých elektrických a magnetických polí tak, aby sledovaly dráhu trochoidy (cyklické křivky – kotálnice, tvořené bodem jedné křivky, valící se po druhé křivce).