"Uskomme, että tämä on nyt uusi suprajohtavuuden aikakausi", Washington DC: n materiaalitieteilijä Russell Hemley kertoi joukolle tutkijoita 4. maaliskuuta American Physical Society -yhtiön maaliskuun kokouksessa.
Kuvat syttyivät hänen takanaan olevasta näytöstä: kaavio laitteesta pienten esineiden murskaamiseksi vastakkaisten timanttien erittäin kovien pisteiden välillä, lämpötilan ja sähkövastuksen kuvaajat, hehkuva pallo, jossa karkea, musta "X" on leikattu sen keskikohtaan.
Tämä viimeinen kuva oli uuden aikakauden ruumiillistuma: pieni näyte lantaani-superhydridiä (tai LaH10) puristettiin paineisiin, jotka olivat samanlaisia kuin maapallon ytimen läpi löydetyt ja lämmitettiin laserilla lämpötiloihin, jotka lähestyvät reipasta talvipäivää Uudessa-Englannissa . (Se on lämmön leviämistä suprajohtavuustutkimuksen standardien mukaan, joka tehdään yleensä äärimmäisessä laboratoriokylmässä.) Näissä olosuhteissa Hemley ja hänen tiiminsä olivat havainneet, että LaH10 näyttää lopettavan vastustaa elektronien liikkumista atomiensa välillä. Siitä ilmeisesti tulee, kun Hemley nimitti sitä APS-puheessaan ja Physical Review Letters -lehdessä 14. tammikuuta julkaistussa lehdessä "huoneenlämpöisen suprajohteen".
Jäädytetty tiede
Alankomaalainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes havaitsi vuonna 1911, että erittäin alhaisissa lämpötiloissa tietyillä aineilla on epätavallisia sähköisiä ominaisuuksia.
Normaaliolosuhteissa johtavan materiaalin (kuten kuparilangan) läpi kulkeva sähkövirta menettää jonkin verran voimakkuutta matkan varrella. Jopa erittäin hyvät johtimet, joita käytämme sähköverkoissamme, ovat epätäydellisiä eivätkä siirrä kaikkea energiaa voimalaitokselta seinäpistorasiaan. Jotkut elektronit vain eksyvät matkan varrella.
Mutta suprajohtajat ovat erilaisia. Suprajohtavan johtosilmukkaan johdettu sähkövirta kiertää edelleen ikuisesti ilman häviöitä. Suprajohtajat karkottavat magneettikentät ja työntävät sen vuoksi voimakkaasti magneetteja pois. Heillä on sovelluksia nopeaan tietojenkäsittelyyn ja muuhun tekniikkaan. Ongelmana on, että eräänlaiset erittäin matalat lämpötilat, joissa suprajohteet yleensä toimivat, tekevät niistä epäkäytännöllisiä yleiseen käyttöön.
Metsästys ilman karttaa
Yli vuosisadan ajan fyysikot ovat metsästäneet lämpimien materiaalien suprajohtavuutta. Mutta suprajohtavuuden löytäminen on vähän kuin osuvaa kultaa: Aiemmat kokemukset ja teoriat saattavat kertoa sinulle laajasti, mistä sitä etsiä, mutta et oikein tiedä missä se on, ennen kuin teet kalliita, aikaavieviä tarkastustyöitä.
"Sinulla on niin paljon materiaaleja. Sinulla on valtava tila tutkittavaksi", sanoi Rooman Sapienzan yliopiston fyysikko Lilia Boeri, joka esitteli työtä Hemleyn jälkeen tutkimalla suprajohteiden mahdollisuutta jopa lämpimämpiä kuin LaH10, ja selittää miksi tällaiset materiaalit ovat. suprajohtava äärimmäisissä paineissa.
Vuonna 1986 tutkijat paljastivat keraamiset tuotteet, jotka olivat suprajohtavia jopa 30 asteen lämpötilassa absoluuttisen nollan yläpuolella tai miinus 406 astetta Fahrenheit (miinus 243 astetta celsiusastetta). Myöhemmin, 1990-luvulla, tutkijat tarkastelivat ensin tosissaan erittäin suuria paineita selvittääkseen, saattavatko ne paljastaa uudenlaisia suprajohteita.
Mutta tuolloin Boeri kertoi Live Sciencelle, ettei vieläkään ollut mitään hyvää tapaa määrittää, osoittautuuko materiaali suprajohtavaksi tai missä lämpötilassa se tekisi niin kauan, kunnes se testattiin. Tämän seurauksena kriittiset lämpötilarekisterit - lämpötilat, joissa suprajohtavuus ilmestyivät - pysyivät erittäin alhaisina.
"Teoreettinen kehys oli olemassa, mutta heillä ei ollut kykyä käyttää sitä", Boeri sanoi.
Seuraava suuri läpimurto tuli vuonna 2001, kun tutkijat osoittivat, että magnesiumdioridi (MgB2) oli suprajohtava 39 asteessa absoluuttisen nollan yläpuolella tai miinus 389 F (miinus 234 C).
"oli melko matala", hän sanoi, "mutta tuolloin se oli suuri läpimurto, koska se osoitti, että sinulla voisi olla suprajohtavuus kriittisellä lämpötilalla, joka oli kaksi kertaa korkeampi kuin mitä aiemmin ajateltiin mahdollista."
Murskaa vety
Siitä lähtien lämpimien suprajohteiden metsästys on siirtynyt kahdella tavalla: Materiaalitieteilijät ymmärsivät, että kevyemmät elementit tarjosivat houkuttelevia mahdollisuuksia suprajohtamiseen. Samaan aikaan tietokonemallit eteni niin pitkälle, että teoreetikot pystyivät ennakoimaan etukäteen tarkasti, kuinka materiaalit voivat käyttäytyä äärimmäisissä olosuhteissa.
Fyysikot aloittivat ilmeisessä paikassa.
"Joten haluat käyttää kevyitä elementtejä, ja kevyin elementti on vety", Boeri sanoi. "Mutta ongelma on itse vety - siitä ei voida tehdä suprajohtavaa, koska se on eriste. Joten suprajohteen saamiseksi sinun on ensin tehtävä metallista. Sinun on tehtävä jotain sille, ja parasta mitä voit tehdä. puristaa sen. "
Kemiassa metalli on melkein mikä tahansa atomien kokoelma, joka on sitoutunut toisiinsa, koska ne istuvat vapaasti virtaavassa elektronien keitossa. Suurin osa materiaaleista, joita kutsumme metalleiksi, kuten kupari tai rauta, ovat metalleja huoneenlämpötilassa ja mukavassa ilmakehän paineessa. Mutta muista materiaaleista voi tulla metalleja äärimmäisissä ympäristöissä.
Teoriassa vety on yksi niistä. Mutta siinä on ongelma.
"Se vaatii paljon korkeampaa painetta kuin mitä voidaan tehdä käyttämällä olemassa olevaa tekniikkaa", Hemley sanoi puheessaan.
Se jättää tutkijoiden metsästämään materiaaleja, jotka sisältävät paljon vetyä ja joista muodostuu metalleja - ja toivottavasti niistä tulee suprajohtavia saavutettavissa olevissa paineissa.
Tällä hetkellä, Boeri sanoi, tietokonemallien parissa työskentelevät tutkijat tarjoavat kokeellisille materiaaleja, jotka voivat olla suprajohteita. Ja kokeilijat valitsevat parhaat vaihtoehdot testaamiseksi.
Näiden mallien arvolla on kuitenkin rajoja, Hemley sanoi. Kaikista ennusteista ei päästä laboratorioon.
"Laskelmia voidaan käyttää erittäin tehokkaasti tässä työssä, mutta se on tehtävä kriittisesti ja toimitettava viime kädessä kokeelliset testit", hän kertoi koottujen joukkojen edustajille.
Hemley ja hänen ryhmänsä "huoneenlämpöinen suprajohdin", LaH10, näyttää olevan tämän tutkimuksen uuden aikakauden kiinnostavin tulos. Murskattuna noin miljoonankertaiseksi maapallon ilmakehän paineeseen (200 gigapaskalia) kahden vastakkaisten timanttien pisteiden välillä, näytteestä LaH10 näyttää olevan suprajohtava 260 asteessa absoluuttisen nollan tai 8 F (miinus 13 C) yläpuolella.
Toisessa samassa lehdessä kuvatun kokeen ajo näytti osoittavan suprajohtavuuden 280 asteessa absoluuttisen nollan tai 44 F (7 ° C) yläpuolella. Se on viileä huonelämpötila, mutta ei liian vaikea saavuttaa lämpötilaa.
Hemley lopetti puheensa ehdottamalla, että tiellä tämä korkeapaineinen työ voi johtaa materiaaleihin, jotka ovat suprajohteita sekä lämpimissä lämpötiloissa että normaalissa paineessa. Ehkä paineistettu materiaali saattaa jäädä suprajohteeksi paineen vapautumisen jälkeen, hän sanoi. Tai ehkä korkeissa lämpötiloissa opitut kemiallisesta rakenteesta saattavat osoittaa tien suprajohtaviin matalapaineisiin rakenteisiin.
Se olisi pelivaihtaja, Boeri sanoi.
"Tämä asia on pohjimmiltaan perustutkimus. Sillä ei ole sovellusta", hän sanoi. "Mutta sanotaan, että keksit jotain, joka toimii esimerkiksi paineella 10 kertaa alhaisemmalla paineella. Tämä avaa oven suprajohtaviin johtoihin, muihin asioihin."
Kysytetyksi, odottaako hän näkevänsä huoneenlämpöisen, huonepaineisen suprajohteen elämänsä aikana, hän nyökkäsi innostuneesti.
"Varmasti", hän sanoi.
