211service.com
Voor het eerst is supergeleiding bij kamertemperatuur bereikt
Apparatuur die wordt gebruikt om een supergeleider bij kamertemperatuur te maken, waaronder een diamanten aambeeldcel (blauwe doos) en laserarrays, is afgebeeld in het laboratorium van de Universiteit van Rochester in Ranga Dias. Adam venster
Supergeleiders bij kamertemperatuur - materialen die elektriciteit geleiden zonder weerstand zonder speciale koeling - zijn het soort technologisch wonder dat het dagelijks leven op zijn kop zou zetten. Ze zouden een revolutie teweeg kunnen brengen in het elektriciteitsnet en zwevende treinen mogelijk maken, naast vele andere mogelijke toepassingen. Maar tot nu toe moesten supergeleiders worden gekoeld tot extreem lage temperaturen, waardoor ze niet meer als nichetechnologie konden worden gebruikt (zij het een belangrijke). Decennia lang leek het erop dat supergeleiding bij kamertemperatuur misschien voor altijd buiten bereik , maar in de afgelopen vijf jaar zijn een paar onderzoeksgroepen over de hele wereld verwikkeld in een race om het in het laboratorium te bereiken.
Een van hen heeft net gewonnen.
In een paper vandaag gepubliceerd in Nature , rapporteren onderzoekers dat supergeleiding bij kamertemperatuur wordt bereikt in een verbinding die waterstof, zwavel en koolstof bevat bij temperaturen tot 58 ° F (13,3 ° C of 287,7 K). De vorige hoogste temperatuur was 260 K, of 8 °F, bereikt door een rivaliserende groep aan de George Washington University en de Carnegie Institution in Washington, DC, in 2018. (Een andere groep aan het Max Planck Institute for Chemistry in Mainz, Duitsland, bereikte rond dezelfde tijd 250 K of -9,7 °F.) Net als de vorige records werd het nieuwe record bereikt onder extreem hoge druk - ongeveer twee en een half miljoen keer groter dan die van de lucht die we inademen.
Het is een mijlpaal, zegt José Flores-Livas, een computerfysicus aan de Sapienza Universiteit van Rome, die modellen maakt die supergeleiding bij hoge temperaturen verklaren en niet direct betrokken was bij het werk. In een paar jaar, zegt hij, gingen we van 200 [K] naar 250 en nu 290. Ik ben er vrij zeker van dat we de 300 zullen bereiken.
Elektrische stromen zijn stromende elektrische ladingen, meestal bestaande uit elektronen. Geleiders zoals koperdraden hebben veel losjes gebonden elektronen. Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, kunnen die elektronen relatief vrij stromen. Maar zelfs goede geleiders zoals koper hebben weerstand: ze worden warm bij het transporteren van elektriciteit.
Supergeleiding - waarbij elektronen zonder weerstand door een materiaal stromen - klinkt op het eerste gezicht onmogelijk. Het is alsof je met hoge snelheid door een overvol stadscentrum zou kunnen rijden zonder een stoplicht te raken. Maar in 1911 ontdekte de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes dat kwik een supergeleider wordt wanneer het wordt afgekoeld tot een paar graden boven het absolute nulpunt (ongeveer -460 ° F of -273 ° C). Hij nam het fenomeen al snel waar in andere metalen zoals tin en lood.
Gedurende vele decennia daarna ontstond supergeleiding alleen bij extreem lage temperaturen. Eind 1986 en begin 1987 ontdekte een groep onderzoekers van het IBM-laboratorium in Zürich dat bepaalde keramische oxiden supergeleiders kunnen zijn bij temperaturen tot 92 K, wat cruciaal is boven de kooktemperatuur van vloeibare stikstof, die 77 K is. de studie van supergeleiding en de toepassingen ervan in bijvoorbeeld ziekenhuis-MRI's, omdat vloeibare stikstof goedkoop en gemakkelijk te hanteren is. (Vloeibaar helium, hoewel kouder, is veel kieskeuriger en duurder .) De enorme sprong in de jaren tachtig leidde tot koortsachtige speculaties dat supergeleiding bij kamertemperatuur mogelijk zou zijn. Maar die droom was ongrijpbaar gebleken tot het onderzoek dat vandaag wordt gerapporteerd.
Onder druk
Een manier waarop supergeleiders werken, is wanneer de elektronen die erdoorheen stromen, worden gekoppeld aan fononen - trillingen in het rooster van atomen waaruit het materiaal is gemaakt. Het feit dat de twee synchroon lopen, geloven theoretici, zorgt ervoor dat elektronen zonder weerstand kunnen stromen. Lage temperaturen kunnen de omstandigheden scheppen voor de vorming van dergelijke paren in een grote verscheidenheid aan materialen. In 1968 stelde Neil Ashcroft, van de Cornell University, dat onder hoge druk, waterstof zou ook een supergeleider zijn . Door atomen te dwingen dicht bij elkaar te komen, verandert hoge druk de manier waarop elektronen zich gedragen en, in sommige omstandigheden, zorgen ze ervoor dat elektronen-fononparen worden gevormd.
Wetenschappers hebben decennialang geprobeerd te begrijpen wat die omstandigheden precies zijn, en om erachter te komen welke andere elementen met waterstof kunnen worden gemengd om supergeleiding te bereiken bij steeds hogere temperaturen en lagere drukken.
In het werk dat in de krant van vandaag wordt gerapporteerd, mengden onderzoekers van de Universiteit van Rochester en collega's eerst koolstof en zwavel in een één-op-één-verhouding, maalden het mengsel tot kleine balletjes en persen die balletjes vervolgens tussen twee diamanten terwijl ze waterstofgas injecteerden . Er werd urenlang met een laser op de verbinding geschenen om bindingen tussen de zwavelatomen te verbreken, waardoor de chemie van het systeem en het gedrag van elektronen in het monster veranderde. Het resulterende kristal is niet stabiel bij lage drukken, maar het is is supergeleidend. Het is ook erg klein - onder de hoge druk waarbij het supergeleidt, heeft het een diameter van ongeveer 30 miljoenste van een meter.
De exacte details van waarom deze samengestelde werken worden niet volledig begrepen - de onderzoekers weten niet eens precies welke verbinding ze hebben gemaakt. Maar ze ontwikkelen nieuwe tools om erachter te komen wat het is en zijn optimistisch dat als ze dat eenmaal kunnen, ze in staat zullen zijn om de samenstelling aan te passen zodat de verbinding zelfs bij lagere drukken supergeleidend blijft.
Als we naar 100 gigapascal gaan - ongeveer de helft van de druk die wordt gebruikt in het Nature-papier van vandaag - zou het mogelijk zijn om superkleine sensoren met een zeer hoge resolutie te industrialiseren, speculeert Flores-Livas. Nauwkeurige magnetische sensoren worden gebruikt bij het zoeken naar mineralen en ook om het afvuren van neuronen in het menselijk brein te detecteren, evenals bij het fabriceren van nieuwe materialen voor gegevensopslag. Een goedkope, nauwkeurige magnetische sensor is het type technologie dat op zichzelf niet sexy klinkt, maar vele andere mogelijk maakt.
En als deze materialen kunnen worden opgeschaald van kleine kristallen onder druk naar grotere afmetingen die niet alleen bij kamertemperatuur maar ook bij omgevingsdruk werken, zou dat het begin zijn van een nog diepgaandere technologische verschuiving. Ralph Scheicher, een computationele modelleur aan de Universiteit van Uppsala in Zweden, zegt dat het hem niet zou verbazen als dit binnen het volgende decennium zou gebeuren.
Verzet is zinloos
De manieren waarop elektriciteit wordt opgewekt, overgedragen en gedistribueerd, zou fundamenteel worden getransformeerd door goedkope en effectieve supergeleiders bij kamertemperatuur die groter zijn dan een paar miljoenste van een meter. Ongeveer 5% van de in de Verenigde Staten opgewekte elektriciteit gaat verloren in transmissie en distributie , volgens de Energy Information Administration. Het elimineren van dit verlies zou, om te beginnen, miljarden dollars besparen en een aanzienlijke klimaatimpact hebben. Maar supergeleiders bij kamertemperatuur zouden niet alleen het systeem dat we hebben veranderen, ze zouden een heel nieuw systeem mogelijk maken. Transformatoren, die cruciaal zijn voor het elektriciteitsnet, kunnen kleiner, goedkoper en efficiënter worden gemaakt. Dat geldt ook voor elektrische motoren en generatoren. Supergeleidende energieopslag wordt momenteel gebruikt om kortetermijnfluctuaties in het elektriciteitsnet weg te werken, maar het blijft relatief niche omdat het veel energie kost om supergeleiders koud te houden. Supergeleiders bij kamertemperatuur, vooral als ze kunnen worden ontworpen om sterke magnetische velden te weerstaan, zouden kunnen dienen als een zeer efficiënte manier om grotere hoeveelheden energie op te slaan voor langere tijd , waardoor hernieuwbare maar intermitterende energiebronnen zoals windturbines of zonnecellen effectiever worden.
En omdat stromende elektriciteit magnetische velden creëert, kunnen supergeleiders ook worden gebruikt om krachtige magneten te maken voor uiteenlopende toepassingen zoals MRI-machines en zwevende treinen. Supergeleiders zijn ook van groot potentieel belang in het ontluikende veld van quantum computing. Supergeleidende qubits vormen nu al de basis van enkele van 's werelds krachtigste kwantumcomputers. Dergelijke qubits kunnen maken zonder ze af te hoeven koelen, zou niet alleen kwantumcomputers eenvoudiger, kleiner en goedkoper maken, maar zou ook kunnen leiden tot snellere vooruitgang bij het maken van systemen van veel qubits, afhankelijk van de exacte eigenschappen van de supergeleiders die worden gemaakt .
Al deze toepassingen zijn in principe haalbaar met supergeleiders die moeten worden gekoeld tot lage temperaturen om te kunnen werken. Maar als je ze zo radicaal moet koelen, verlies je veel - in sommige gevallen alle - voordelen die je krijgt door het ontbreken van elektrische weerstand. Het maakt ze ook ingewikkelder, duurder en vatbaarder voor storingen.
Het valt nog te bezien of wetenschappers stabiele verbindingen kunnen bedenken die niet alleen supergeleidend zijn bij omgevingstemperatuur, maar ook bij omgevingsdruk. Maar de onderzoekers zijn optimistisch. Ze besluiten hun paper met deze verleidelijke bewering: een robuust supergeleidend materiaal bij kamertemperatuur dat de energie-economie, de verwerking en detectie van kwantuminformatie zal transformeren, kan haalbaar zijn.