Ilgiau nei šimtmetį ieškotas „šventasis gralis”: tyrėjai susintetino kambario temperatūroje superlaidžią medžiagą (Video)

Nature žurnalo viršelyje pristatytą darbą atliktas Ranga Diaso, mechanikos inžinerijos ir fizikos bei astronomijos asist. profesoriaus laboratorijoje.

Diasas sako, kad kambario temperatūroje superlaidžių medžiagų – neturinčių elektrinės varžos ir išstumiančios iš savęs magnetinį lauką – sukūrimas yra kondensuotos būsenos fizikos „šventasis gralis“. Ilgiau nei šimtą metų ieškotos, tokios medžiagos „tikrai gali pakeisti mums pažįstamą pasaulį“, sako Diasas.

Naują rekordą Diaso tyrėjų komanda pasiekė, fotochemiškai sujungusi anglį su vandeniliu ir siera į paprastą organinį anglingą sieros hidridą (CH₈S), kurį deimantiniu priekalu labai stipriai suspaudė.

Anglingame sieros hidride superlaidumas pasireiškė maždaug 58°F temperatūroje (288 K, ~14°C) ir maždaug 269 GPa slėgyje. Tai yra pirmasis kartas, kai superlaidi medžiaga medžiaga užfiksuota kambario temperatūroje.

„Dėl tokios žemos temperatūros ribojimų, tokių ypatingų savybių medžiagos dar netransformavo pasaulio taip, kaip daugelis įsivaizdavo. Tačiau mūsų atradimas šiuos barjerus nugriaus ir atvers duris daugeliui potencialių panaudojimų,“ sako Diasas, taip pat susijęs ir su universiteto Medžiagų mokslo ir Aukšto energijos tankio fizikos programomis.

Galimi pritaikymai:

• Elektros tiekimo linijos, kuriose dėl varžos nebūtų prarandama iki 200 milijonų megavatvalandžių (MWh) energijos.
• Naujas būdas varyti levituojančius traukinius ir kitas transporto priemones.
• Medicininės vaizdo ir skenavimo technikos, tokios, kaip MRI ir magnetografija
• Greitesnė, efektyvesnė skaitmeninės logikos ir atminties įrenginių elektronikos technologija.

„Gyvename puslaidininkių visuomenėje, ir tokia technologija visuomenę gali perkelti superlaidumo visuomenę, kur nereikės tokių dalykų, kaip baterijos,“ sako atradimo bendraautorė Ashkan Salamat iš Nevados universiteto Las Vegase.

Deimantiniu priekalu sukuriamos superlaidžios medžiagos kiekiai matuojami pikolitrais — maždaug tokio dydžio yra rašalinio spausdintuvo dažų lašeliai.

Kitas iššūkis – rasti būdą, kaip gaminti kambario temperatūros superlaidininką mažesniame slėgyje, kad jį būtų ekonomiška gaminti didesniais kiekiais.

Kodėl svarbi kambario temperatūra

Pirmą kartą atrastas 1911 metais, superlaidumas medžiagoms suteikia dvi svarbiausias savybes. Dingsta elektrinė varža ir dėl Meissnerio efekto iš medžiagos išstumiamas magnetinis laukas. Magnetinio lauko linijos turi eiti aplink superlaidininką, todėl tokios medžiagos gali levituoti, kas galėtų būti panaudota greitaeigiams traukiniams be trinties su bėgiais – maglev traukiniams.

Galingi superlaidūs elektromagnetai jau dabar yra kritiškai svarbus maglev traukinių, magnetinio rezonanso (MRI) ir branduolių magnetinio rezonanso (NMR) aparatuose, dalelių greitintuvuose ir kitos pažangiose technologijose, įskaitant ir ankstyvuosius kvantinius kompiuterius.

Bet šiuose įtaisuose naudojamas superlaidžias medžiagas reikia atšaldyti iki temperatūrų, daug žemesnių, nei natūraliai kur nors būna Žemėje. Tai labai pabrangina jų eksploatavimą. „Šių medžiagų laikymas kriogeninėse temperatūrose toks brangus, kad pilnai išnaudoti jų potencialo nepavyksta,“ pažymi Dias.

Ankstesnį aukščiausios superlaidininko temperatūros rekordą pernai pasiekė Mikhailas Eremetsas Max Planck chemijos institute Mainze, Vokietijoje, ir Russell Hemley grupė Ilinojaus universitete Čikagoje. Ši komanda pranešė pasiekusi lantano superhidrido superlaidumą nuo -10 iki 8 °F temperatūroje.

Pastaraisiais metais kaip potencialius aukštų temperatūrų superlaidininkų kandidatus tyrėjai bandė vario oksidus ir geležies turinčius junginius. Tačiau vandenilis — labiausiai paplitęs elementas visatoje — irgi regisi perspektyvus.

„Norint gauti aukštos temperatūros superlaidininką, reikia stipresnių jungčių ir lengvų elementų. Tai yra du svarbiausi kriterijai,“ pabrėžia Diasas. Vandenilis yra lengviausia medžiaga, o vandenilio jungtis yra viena iš stipriausių.

„Teoriškai spėjama, kad metalinio vandenilio aukšta Debye temperatūra ir stiprus elektronų-fononų susiporavimas, kas yra būtinos kambario temperatūros superlaidumo sąlygos,“ sako Diasas.

Tačiau norint gryną vandenilį paversti metaliniu, ką pirmą kartą 2017 metais atliko Harvardo universiteto profesorius Isaac Silvera ir tada jo laboratorijoje postdoktorantūroje studijavusiu Diasu, reikia labai didelio slėgio.

Paradigmos poslinkis

Taigi, Diaso laboratorija Rochesteryje atliko „paradigmos poslinkį“, panaudodama kaip alternatyvą daug vandenilio turinčias medžiagas, kuriose pamėgdžiojama sunkiai pasiekiama superlaidaus vandenilio fazė, ir kurias galima metalizuoti daug mažesniame slėgyje.

Iš pradžių laboratorija sujungė itrį ir vandenilį. Gautas itrio superhidridas superlaidus tapo tuomet rekordinėje ~12°F temperatūroje ir maždaug 26 milijonų psi slėgyje.

Paskui laboratorija nagrinėjo kovalentinius daug vandenilio turinčius organinius junginius.

Iš čia radosi anglingas sieros hidridas. „Anglis čia vaidina itin svarbų vaidmenį,“ praneša tyrėjai. Toliau „derinant kompoziciją“ tikriausiai galima būtų pasiekti netgi dar aukštesnę temperatūras, priduria jie.

Diasas ir Salamat įkūrė naują komponiją, „Unearthly Materials“, kuri ieškos kaip būtų galima kurti kambario temperatūros superalaidininkus prieinamame slėgyje.

University of Rochester

Nuoroda: „Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride“ by Elliot Snider, Nathan Dasenbrock-Gammon, Raymond McBride, Mathew Debessai, Hiranya Vindana, Kevin Vencatasamy, Keith V. Lawler, Ashkan Salamat and Ranga P. Dias, 14 October 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z