211service.com
Het record voor supergeleiding bij hoge temperaturen is opnieuw verbroken
Supergeleiding is het vreemde fenomeen van nul elektrische weerstand dat optreedt wanneer sommige materialen worden afgekoeld tot onder een kritische temperatuur. De beste supergeleiders moeten worden gekoeld met vloeibaar helium of stikstof om koud genoeg te worden (vaak zo laag als -250 ° C of -480 F) om te werken. De heilige graal voor onderzoekers is het idee dat een materiaal kan worden gemaakt om supergeleidend te worden bij ongeveer 0 ° C - de zogenaamde supergeleiding bij kamertemperatuur. Als zoiets ooit zou worden ontdekt, zou het een breed scala aan nieuwe technologieën ontketenen, waaronder supersnelle computers en gegevensoverdracht.
De geschiedenis van supergeleiding is bezaaid met dubieuze beweringen over activiteit bij hoge temperaturen die later onmogelijk te reproduceren blijkt te zijn. Natuurkundigen hebben hier inderdaad een naam voor: USO's, of niet-geïdentificeerde supergeleidende objecten.
Dus nieuwe claims van supergeleiding bij hoge temperaturen moeten met voorzichtigheid worden behandeld. Dat gezegd hebbende, is het nieuws van vandaag dat het record voor supergeleiding bij hoge temperaturen is verbroken, de moeite waard om nader te bekijken.
Het werk is afkomstig uit het laboratorium van Mikhail Eremets en collega's van het Max Planck Instituut voor Chemie in Mainz, Duitsland. Eremets en zijn collega's zeggen dat ze lanthaanhydride (LaH10) supergeleidend hebben waargenomen bij de zinderende temperatuur van 250 K of -23 °C.
Dat is warmer dan de huidige temperatuur op de Noordpool. Onze studie maakt een sprong voorwaarts op weg naar de supergeleiding bij kamertemperatuur, zegt het team. (Het voorbehoud is dat het monster onder enorme druk moet staan: 170 gigapascal, of ongeveer de helft van de druk in het midden van de aarde.)
Eremets heeft een vrij indrukwekkende pedigree op dit gebied. Lange lezers van deze blog zal zich herinneren dat hij in 2014 het vorige record voor supergeleiding bij hoge temperaturen verbrak . Bij die gelegenheid kon zijn team de supergeleidende activiteit in waterstofsulfide meten bij -80 °C, zo'n 10 graden warmer dan enig ander materiaal. Later verhoogde hij dat tot -70 °C en publiceerde het werk in Nature met veel bijval.
Maar de overweldigende verrassing voor natuurkundigen was de aard van het supergeleidende materiaal.
Supergeleiding wordt goed begrepen in conventionele supergeleiders, dit zijn stijve roosters van positieve ionen die baden in een oceaan van elektronen. Elektrische weerstand treedt op wanneer elektronen die door het rooster bewegen worden vertraagd door er tegenaan te stoten, terwijl supergeleiding optreedt wanneer het rooster wordt afgekoeld tot een punt waar het stijf genoeg wordt om mechanische geluidsgolven of fononen er doorheen te laten rimpelen. Deze golven vervormen het rooster terwijl ze reizen. En op deze vervorming kunnen elektronen surfen.
Bij lage temperatuur binden de elektronen zich aan elkaar om zogenaamde Cooper-paren te vormen. En het zijn deze Cooper-paren die door het rooster surfen dat supergeleiding vormt.
Naarmate de temperatuur stijgt, vallen de Cooper-paren uit elkaar en stopt de supergeleiding. Deze verandering vindt plaats bij wat de kritische temperatuur wordt genoemd.
Vóór 2014 was de hoogste kritische temperatuur voor dit soort supergeleiding ongeveer 40 K of –230 °C. Veel natuurkundigen dachten inderdaad dat dit soort supergeleiding bij hogere temperaturen onmogelijk zou werken.
Daarom was de aankondiging van Eremets zo buitengewoon: waterstofsulfide is een conventionele supergeleider die zich gedraagt op een manier die veel mensen voor onmogelijk hielden.
(In 1986 ontdekten natuurkundigen een geheel andere vorm van supergeleiding in keramische materialen bij 180 K of -90 °C. Dit is nog steeds niet goed begrepen en er is weinig vooruitgang geboekt bij het verhogen van de temperatuur.)
De ontdekking van Eremets veroorzaakte een koortsachtige aanval van theoretische activiteit om te verklaren hoe de supergeleiding optreedt. De consensus is dat in waterstofsulfide waterstofionen een rooster vormen dat Cooper-paren zonder weerstand transporteert wanneer de temperatuur onder een kritisch niveau daalt.
Dit kan gebeuren bij hoge temperatuur omdat waterstof zo licht is. Dat betekent dat het rooster met hoge snelheid en dus bij hoge temperatuur kan trillen. Maar het rooster moet ook stevig op zijn plaats worden gehouden, om te voorkomen dat de trillingen het uit elkaar scheuren. Daarom werkt de supergeleiding alleen bij hoge druk.
Sindsdien is er veel theoretisch en rekenkundig werk verricht om andere materialen te voorspellen die op deze manier bij hoge temperatuur supergeleidend zouden kunnen zijn. Een van de waarschijnlijke kandidaten is lanthaanhydride, waar Eremets en co aan hebben gewerkt.
De ontdekking dat het supergeleidt bij 250 K is een overwinning, niet alleen voor Eremets en zijn team, maar ook voor de theoretische methoden die het voorspelden. Deze sprong, met ~ 50 K, ten opzichte van het vorige record van 203 K geeft de reële mogelijkheid aan om in de nabije toekomst supergeleiding bij kamertemperatuur (dat wil zeggen 273 K) te bereiken bij hoge drukken, zeggen Eremets en co.
Er is echter nog wat werk aan de winkel. Natuurkundigen hebben drie afzonderlijke bewijsstukken nodig om ervan overtuigd te zijn dat supergeleiding daadwerkelijk plaatsvindt. De eerste is de karakteristieke weerstandsdaling naarmate de temperatuur daalt. Eremets heeft dit.
De tweede omvat het vervangen van de elementen in het monster door zwaardere isotopen. Hierdoor trilt het rooster met een andere snelheid en verandert de kritische temperatuur dienovereenkomstig. Eremets en co hebben dit bewijs ook, nadat ze de waterstof in hun monsters hebben vervangen door deuterium en de kritische temperatuur hebben zien dalen tot 168 K, precies zoals verwacht.
De derde bewijsstreng wordt het Meissner-effect genoemd: een supergeleider zou elk magnetisch veld moeten verdrijven. Het is hier dat Eremets en co hebben geworsteld. Hun monsters zijn zo klein - slechts een paar micrometer in doorsnee en zitten in hogedruk diamanten aambeeldcellen - dat de onderzoekers dit nog niet direct hebben kunnen meten, hoewel ze wel ander magnetisch bewijs hebben.
Zonder deze definitieve handtekening kunnen natuurkundigen hun volledige omhelzing onthouden. Maar het is zeker iets waar het team hard aan werkt om te produceren.
In de tussentijd opent het werk een aantal voor de hand liggende andere wegen om na te streven. De rekenmodellen suggereren dat yttrium-superhydriden supergeleidend kunnen zijn bij temperaturen boven 300 K - echt kamertemperatuur (hoewel alleen bij drukken die vaker worden aangetroffen in het centrum van de aarde).
Dus supergeleiders bij kamertemperatuur van een of andere vorm zijn misschien helemaal niet ver weg. De vraag is dan hoe ze het beste kunnen worden geëxploiteerd.
Referentie: arxiv.org/abs/1812.01561 : Supergeleiding bij 250 K in lanthaanhydride onder hoge druk