Supravodič izbovej teploty pracuje pri nízkom tlaku – Ars Technica

Dokument zverejnený v stredu Nature popisuje zmes prvkov, ktoré môžu byť supravodivé pri izbovej teplote. Sleduje všeobecný trend hľadania nových spôsobov, ako napchať vodík do zmesi iných atómov pomocou extrémneho tlaku. Tento trend priniesol v predchádzajúcom výskume množstvo vysokoteplotných supravodičov, aj keď bolo ťažké ich charakterizovať kvôli príslušným tlakom. Táto nová chemikália však vedie pri oveľa nižších tlakoch ako predchádzajúce verzie, čo ostatným uľahčuje replikáciu práce.

Laboratórium, ktoré vyrobilo chemikáliu, však stiahlo predchádzajúci článok o vysokoteplotnej supravodivosti kvôli nedostatku podrobností o kľúčovom meraní. Takže je spravodlivá stávka, že mnohí ďalší výskumníci sa to pokúsia replikovať.

nízkotlakové prostredie

Forma supravodivosti, ktorá je tu zapojená, vyžaduje, aby sa elektróny navzájom zdieľali, známe ako Cooperove páry. Jednou z vecí, ktoré podporujú tvorbu Cooperových párov, je vysokofrekvenčná vibrácia (nazývaná fonón) medzi atómovými jadrami, s ktorými sú tieto elektróny spojené. S ľahšími jadrami je to jednoduchšie a vodík je najľahší. Takže hľadanie spôsobov, ako zabaliť viac vodíka do chemikálie, sa považuje za životaschopnú cestu k výrobe vysokoteplotných supravodičov.

Najbezpečnejší spôsob, ako to dosiahnuť, je však extrémny tlak. Tieto tlaky môžu spôsobiť, že vodík vstúpi do kryštálovej štruktúry kovov alebo vytvorí chemikálie bohaté na vodík, ktoré sú pri nízkych tlakoch nestabilné. Oba tieto prístupy viedli k chemikáliám s veľmi vysokými kritickými teplotami, čo je najvyšší bod, pri ktorom budú podporovať supravodivosť. Aj keď tieto dosiahli izbovú teplotu, požadované tlaky boli mnoho gigapascalov – každý gigapascal bol asi 10 000-násobok atmosférického tlaku na hladine mora.

Stručne povedané, zahŕňa to obchodovanie s nepraktickými teplotami za nepraktické tlaky.

Dúfali sme však, že by sme mohli použiť tieto chemikálie na identifikáciu všeobecných princípov, ktoré produkujú tento typ supravodivosti bohatej na vodík, a potom ich použiť na identifikáciu iných chemikálií, ktoré môžu spôsobiť takéto podmienky. Vykazujú podobné správanie, ktoré sa oveľa ľahšie udržiava.

To je to, čo sa deje v nových novinách. Výskumný tím sa zameral na lutécium na základe skutočnosti, že obsadenie jeho elektrónových orbitálov by malo poskytnúť niekoľko ďalších elektrónov, ktoré by sa mohli podieľať na vytváraní Cooperových párov, čo by potenciálne uľahčilo supravodivosť. A pridali stopové množstvá dusíka v nádeji, že dopovanie materiálu umožní chemikálii prijať konfiguráciu, ktorá ju pomôže stabilizovať a potenciálne zníži požadovaný tlak.

z čista jasna

Bolo jasné, že so zmesou lutécium/dusík/vodík sa niečo deje ešte predtým, ako sa uskutočnili akékoľvek merania. Za okolitých podmienok sa pridaním dvoch plynov zmenila farba na lutécium modrú, pravdepodobne v dôsledku vstupu vodíka do kovu. Ale keď sa tlak zvýšil na tisíce atmosfér, zmes sa dramaticky zmenila na ružovú, čo sa ukázalo byť spojené s tým, že zmes sa stala kovovou. Pozorovalo sa, že pri tlaku viac ako 30 000-násobku atmosférického tlaku stráca svoje kovové vlastnosti a mení sa na tmavočervenú farbu.

Supravodivosť bola možná v celom rozsahu 3 000 až 30 000 násobku atmosférického tlaku. Takže výskumníci pracovali cez tento tlakový rozsah, aby našli tlak, ktorý podporuje najvyššiu kritickú teplotu. Vrchol nastal pri približne 10 000-násobku atmosférického tlaku.

Teplota bola 294 K. To znamená okolo 21 °C alebo 70 °F, čo je pre väčšinu z nás izbová teplota.

Supravodivosť tiež mení magnetické vlastnosti materiálu a veľkú časť príspevku zaberá diskusia o meraní magnetických vlastností vzoriek. Nie je to ľahká úloha vzhľadom na to, aká malá je vzorka a že je vložená medzi všetky hardvérové ​​prvky potrebné na rozdrvenie vzorky pod extrémnym tlakom.

Dalo mi veľa práce zistiť, aké sú ingrediencie. Takmer určite obsahuje určité množstvo vodíka a dusíka v kove, ale nie je jasné, koľko, vzhľadom na to, že nadbytok jedného z týchto dvoch plynov je možné zo vzorky vylúčiť. Výskumníci sa na ňom pokúsili urobiť kryštalografiu, ale výsledky sú trochu nejasné. Signál z vodíka (atómová hmotnosť jedna) pohltí lutécium (atómová hmotnosť 175) a je možné, že sa vodík môže pohybovať v materiáli.

Takže, keď identifikujú vodík Pevnosť Nie je však jasné, koľko z týchto miest bolo skutočne obsadených. A preto bude náročné extrahovať väčšie princípy zo správania tohto materiálu.

Môžeme tomu uveriť?

Nad tým všetkým visí návrat papiera popisujúceho niektoré z predchádzajúcich meraní z toho istého laboratória. Redaktori Nature toto tvrdenie stiahli kvôli námietkam výskumníkov. Bol stiahnutý kvôli problémom s údajmi zahrnutými v magnetických meraniach, ale bol nepochybne urýchlený skutočnosťou, že nikto nemohol potvrdiť magnetické správanie, pretože nedokázal vyrobiť chemikálie opísané v predchádzajúcom dokumente.

Vzhľadom na to by prirodzenou reakciou bolo neveriť súčasnej práci. Je však tiež rozumné očakávať, že všetci recenzenti nového článku mali podobnú odozvu, takže je pravdepodobné, že nový článok bol dôkladne preskúmaný.

Dôležité však je, že ak by sa úloha dala reprodukovať, mnohým ľuďom by sa to podarilo pomerne rýchlo. Je to preto, že na jeho zostavenie je potrebné veľmi málo prepracovaného hardvéru. Pokiaľ má laboratórium slušný klimatizačný systém, malo by byť triviálne udržiavať vzorku pri tu uvedených teplotách. A tlaky potrebné na dosiahnutie gigapascalov požadovaných pre predchádzajúce materiály tohto typu možno dosiahnuť s oveľa menej komplikovaným zariadením.

V dôsledku toho by mal byť tento materiál dostupný pre oveľa väčší počet laboratórií, ako doteraz pracovalo na supravodičoch bohatých na vodík. Ak sú teda tieto výsledky pravé, čoskoro by sme mali vidieť reprodukované správy o výsledkoch.

Príroda, 2023. DOI: 10.1038/S41586-023-05742-0 (o DOI).