Czy nadprzewodniki w temperaturze pokojowej mogą działać bez ekstremalnego ciśnienia?

Przez dziesięciolecia naukowcy poszukiwali nadprzewodnika działającego w temperaturze pokojowej. Teraz, gdy w końcu go znaleźli, trwa poszukiwanie jeszcze lepszego materiału.

Aż do zeszłego roku wszystkie znane nadprzewodniki – materiały przewodzące prąd bez oporu – musiały być chłodzone do bardzo niskich temperatur, co czyniło je niepraktycznymi do stosowania w większości urządzeń elektronicznych. W 2020 roku fizyk Ranga Dias i jego współpracownicy poinformowali, że związek węgla, siarki i wodoru nadprzewodzi w temperaturze pokojowej. Ale potrzeba chłodzenia została zamieniona na inny niepraktyczny wymóg: materiał musiał zostać poddany ciśnieniu do 267 gigapaskali, ponad dwa miliony razy więcej od ciśnienia atmosferycznego Ziemi.

Teraz naukowcy opracowują strategie, aby zmniejszyć wymóg ciśnienia, być może nawet sprowadzając ciśnienie do poziomu atmosferycznego. „To jest to, co naprawdę chcemy robić” – mówi Dias z University of Rochester w Nowym Jorku.

Nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym można zintegrować z szeroką gamą urządzeń elektronicznych, umożliwiając tworzenie ulepszonych komputerów i lewitujących pociągów oraz do oszczędzania ogromne ilości energii w sieci elektrycznej.

Ale jak znaleźć nadprzewodniki, które działają w pobliżu temperatury pokojowej i wymagają mniejszego ciśnienia? „Myślę, że jest to obecnie najważniejsze pytanie w tej dziedzinie” – powiedziała 16 marca fizyk Lilia Boeri z Uniwersytetu Sapienza w Rzymie podczas internetowego spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego [American Physical Society]. Podczas spotkania kilka grup fizyków poinformowało o postępach.

Poszukiwanie nadprzewodników

Aby znaleźć nadprzewodnik, warto wiedzieć, od czego zacząć polowanie. Naukowcy wykorzystują obliczenia komputerowe do teoretycznego określenia struktury i właściwości materiałów oraz pokierowania poszukiwaniami – powiedziała 16 marca na spotkaniu chemiczka teoretyczka Eva Żurek. Ta strategia opłaciła się w przeszłości. „Teoria odegrała bardzo ważną rolę, w niektórych przypadkach przewidując struktury przed ich wykonaniem” – powiedziała Żurek z Uniwersytetu w Buffalo w Nowym Jorku. Na przykład takie przewidywania doprowadziły naukowców do ustalenia związku lantanu i wodoru, który, jak stwierdzono w 2018 r., nadprzewodziły w rekordowo wysokich temperaturach dochodzących do około –13 ° Celsjusza.

Teraz prognozy doprowadziły naukowców do nadprzewodników wykonanych z itru i wodoru, poinformował Dias 18 marca na spotkaniu APS, w ramach prac wykonanych we współpracy z Żurek. Nadprzewodzenie w temperaturze do około –11 ° C, itrowo-wodorowy nadprzewodnik Diasa jest jednym ze znanych nadprzewodników o najwyższej temperaturze. Nadprzewodnik węglowy, siarkowy i wodorowy Diasa nadal jest rekordzistą temperatury, nowy materiał wymaga znacznie niższego ciśnienia – 182 gigapaskalach. Dias i Żurek ogłosili swoje wyniki 19 marca w Physical Review Letters.

Na liście rekordzistów wysokich temperatur dominują nadprzewodniki bogate w wodór. Oczekuje się, że czysty wodór po ściśnięciu stanie się metalem, który będzie nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej. Ale ten metaliczny wodór wymaga tak ekstremalnych ciśnień, że jego wytworzenie okazało się trudne. Dodając inny pierwiastek, taki jak lantan lub itr, naukowcy stworzyli nadprzewodniki, które działają podobnie do nieuchwytnego wodoru metalicznego, ale przy niższych ciśnieniach.

Obliczenia teoretyczne zbadały teraz wszystkie kombinacje wodoru i dowolnego innego pojedynczego pierwiastka, szukając prawdopodobnych nadprzewodników. Nowa granica polega na obliczaniu kombinacji dwóch pierwiastków z wodorem, takich jak związek węgiel-siarka-wodór, który Dias odkrył eksperymentalnie. Ale to zadanie stanowi dodatkowe wyzwanie: zbyt wiele par elementów do wyboru. „Po prostu olbrzymia ilość możliwych kombinacji” – mówi Żurek. Mimo to, jedno badanie sugeruje już, że ta technika odniesie sukces w obniżaniu ciśnienia.

Badanie nowych materiałów

Połączenie lantanu, boru i wodoru mogą nadprzewodzić przy niższych ciśnieniach, Boeri i współpracownicy poinformowali na spotkaniu i w publikacji zamieszczonych 22 lutego w arXiv.org. Struktura chemiczna jest podobna do struktury nadprzewodnika z 2018 roku wykonanego z lantanu i wodoru, w którym atomy wodoru otacza są przez atomy lantanu. W nowym związku atomy boru wypełniają dodatkową pustą przestrzeń. To zapewnia dodatkowe ciśnienie chemiczne, powiedziała Boeri, co oznacza, że ​​gdyby materiał został stworzony w laboratorium, mógłby zachować swoje nadprzewodnictwo nawet wtedy, gdy ciśnienie zewnętrzne wynosi zaledwie 40 gigapaskali. Przewidywana wymagana temperatura jest niższa i wynosi –147 ° C, ale nadal jest stosunkowo ciepła w porównaniu z większością nadprzewodników.

„Byliśmy naprawdę zaskoczeni, że to zadziała w ten sposób” – mówi Boeri. Normalnie chemicy spodziewaliby się, że bor utworzy wiązania z wodorem ale ciśnienie łamie tą zasadę.

Dlatego tak ważne w poszukiwaniu nadprzewodników są obliczenia – mówi Żurek. Obliczeniowe metody poszukiwania nowych materiałów mogą znaleźć struktury, które naukowcom nie przyszłyby do głowy. Bazy danych struktur chemicznych nie zawierała takich materiałów, „ani też nasza wyobraźnia chemiczna nie mogła o nich śnić przed znalezieniem ich w komputerze” – powiedziała.

W swoim przemówieniu Dias podał wskazówki na temat innego nowego materiału, który odkryła jego grupa, który jest nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej i znacznie niższym ciśnieniu, około 20 gigapaskali. Ale nie może jeszcze o tym mówić z powodu oczekiwania na wniosek patentowy.

Naukowcy są entuzjastycznie nastawieni do nowych osiągnięć w badaniach nad nadprzewodnikami. „To po prostu najbardziej ekscytująca rzecz, jaka dzieje się w tej chwili w nauce” – powiedział fizyk Graeme Ackland z Uniwersytetu w Edynburgu, który moderował jedną z sesji na spotkaniu.

Dias wyobraża sobie przyszłość, w której sprzedawcy w sklepach z narzędziami będą pytać: „Chcesz drut nadprzewodzący czy normalny?” – powiedział. „Chcemy, dojśc do tego etapu”.

Źródła: Emily Conover

Zdjęcia: DEAN SMITH

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x