Et materiale, der superleder kontinuerligt op til ekstreme tryk

Forskere har opdaget en metallegering, der kan lede elektricitet med nul modstand, eller superledning, fra omgivende tryk op til tryk svarende til dem, der findes nær Jordens centrum. Materialet, som sandsynligvis er den første til at vise denne form for robust superledning, er beskrevet i et papir i den 12. december, 2017, udgave af Proceedings of the National Academy of Sciences .

Materialet er medlem af en ny familie af metallegeringer kendt som high-entropy legeringer (HEA), som er sammensat af tilfældige blandinger af grundstoffer i atomare skala fra blokken af ​​"overgangsmetaller" på det periodiske system. HEA'er er interessante på flere måder, herunder strukturelt. De har enkle krystalstrukturer, men metallerne er arrangeret tilfældigt på gitterpunkterne, giver hver legering egenskaberne af både et glas og et krystallinsk materiale.

Det HEA, der er studeret i dette arbejde, er unikt ved, at det kan superlede kontinuerligt fra lavt til højt tryk – selv når det udsættes for tryk svarende til dem, der findes i det ydre område af vores planets kerne. Denne opdagelse blev gjort af en gruppe videnskabsmænd fra Institute of Physics ved det kinesiske videnskabsakademi og Kemiafdelingen ved Princeton University. Den HEA, de undersøgte, er sammensat af metallerne tantal (Ta), niobium (Nb), hafnium (Hf), zirkonium (Zr), og titanium (Ti).

"Vi har observeret, at denne HEA forbliver i en tilstand af nul elektrisk modstand hele vejen fra en bars tryk til trykket fra Jordens ydre kerne, uden strukturelle ændringer, " sagde en af ​​undersøgelsens seniorforskere, Professor Liling Sun fra Institut for Fysik i Beijing, til Phys.org .

Robert Cava, Russell Wellman Moore professor i kemi ved Princeton, en anden senior forfatter, tilføjet, "Dette er en bemærkelsesværdig ting - vi kender intet andet lignende materiale - og det gør denne HEA til en lovende kandidat til nye anvendelser af superledere under ekstreme forhold."

Tryk er en af ​​de eksterne variabler, der kan afdække uventede egenskaber i et materiale. I superledere, for eksempel, påføringen af ​​tryk har ændret kritiske temperaturer (den temperatur, under hvilken et materiale vil superlede) og induceret superledning i materialer, der ellers ikke ville udvise fænomenet.

Her, gruppen lagde pres på HEA ved hjælp af en diamantamboltcelle, en enhed, der bruger de polerede flader af to diamanter – et af de hårdeste materialer på jorden – til at presse en prøve placeret mellem dem. For at generere tilstrækkeligt højt tryk til at udføre målingerne på HEA, størrelsen af ​​hver diamants kulet – "punktet" i bunden af ​​ædelstenen – var 40 mikron (milliontedele af en meter), som er omkring halvdelen af ​​diameteren af ​​et menneskehår.

For at spore de mulige strukturelle ændringer, mens prøven var i diamantamboltcellen, gruppen brugte synkrotron-baseret røntgendiffraktion (XRD) på Shanghai Synchrotron Radiation Facility. XRD giver forskere mulighed for at få strukturel information om en krystallinsk prøve baseret på det mønster, røntgenstrålerne laver, efter at de diffrakterer væk fra atomerne i prøven. De kombinerede disse teknikker med komplementære målinger af resistivitet og magnetoresistens for at karakterisere superledningsevnen.

Resultaterne viser, at HEA bevarer sin grundlæggende krystalstruktur, på trods af at prøvens volumen er komprimeret betydeligt (ved én måling, når trykket var omkring 96 GPa, volumen var reduceret med omkring 28 procent).

Sol, Cava, og deres kolleger tilskriver materialets unikke adfærd og stabilitet til dets stærke krystalstruktur, kombineret med den tilsyneladende robuste karakter af dens elektroniske struktur, når den udsættes for en meget stor mængde gitterkompression.

© 2018 Phys.org