Kvanteudsving opretholder rekordsuperlederen

Beregninger udført af et internationalt hold af forskere fra Spanien, Italien, Frankrig, Tyskland, og Japan viser, at krystalstrukturen af ​​den rekord-superledende LaH10-forbindelse er stabiliseret af atomare kvanteudsving. Dette resultat tyder på, at superledning, der nærmer sig stuetemperatur, kan være mulig i hydrogenrige forbindelser ved meget lavere tryk end tidligere forventet med klassiske beregninger. Resultaterne offentliggøres i dag i Natur .

At nå superledning ved stuetemperatur er en af ​​fysikkens største drømme. Dens opdagelse ville bringe en teknologisk revolution ved at levere elektrisk transport uden tab, ultraeffektive elektriske motorer eller generatorer, samt muligheden for at skabe enorme magnetfelter uden afkøling. De nylige opdagelser af superledningsevne først ved 200 kelvin i svovlbrinte og senere ved 250 kelvin i LaH10 har ansporet opmærksomheden på disse materialer, bringer håb om snart at nå stuetemperaturer. Det er nu klart, at hydrogenrige forbindelser kan være højtemperatursuperledere. I det mindste ved høje tryk:begge opdagelser blev gjort over 100 gigapascal, en million gange atmosfærisk tryk.

De 250 kelvin (-23ºC) opnået i LaH10, den sædvanlige temperatur, som hjemmefrysere arbejder ved, er den varmeste temperatur, for hvilken superledning nogensinde er blevet observeret. Muligheden for høj-temperatur superledning i LaH10, et superhydrid dannet af lanthan og brint, blev forudset af forudsigelser af krystalstruktur tilbage i 2017. Disse beregninger antydede, at over 230 gigapascal en meget symmetrisk LaH10-forbindelse (Fm-3m rumgruppe), med et brintbur, der omslutter lanthanatomerne (se figur), ville blive dannet. Det blev beregnet, at denne struktur ville forvrænges ved lavere tryk, bryde det meget symmetriske mønster. Imidlertid, eksperimenter udført i 2019 var i stand til at syntetisere den meget symmetriske forbindelse ved meget lavere tryk, fra 130 og 220 gigapascal, og at måle superledning omkring 250 kelvin i dette trykområde. Krystalstrukturen af ​​pladesuperlederen, og dermed dens superledningsevne, forblev derfor ikke helt klart.

Nu, takket være de nye resultater offentliggjort i Natur , vi ved, at atomare kvantefluktuationer "limer" den symmetriske struktur af LaH10 i hele det trykområde, hvori superledning er blevet observeret. Mere detaljeret, Beregningerne viser, at hvis atomer behandles som klassiske partikler, det er, som simple punkter i rummet, mange forvrængninger af strukturen har en tendens til at sænke systemets energi. Det betyder, at det klassiske energilandskab er meget komplekst, med mange minima (se figur), som en meget deformeret madras, fordi mange mennesker står på den. Imidlertid, når atomer behandles som kvanteobjekter, som er beskrevet med en delokaliseret bølgefunktion, energilandskabet er fuldstændig omformet:kun et minimum er tydeligt (se figur), hvilket svarer til den meget symmetriske Fm-3m struktur. På en eller anden måde, kvanteeffekter slipper af med alle i madrassen undtagen én person, som kun deformerer madrassen i ét enkelt punkt.

Desuden, estimeringerne af den kritiske temperatur ved brug af kvanteenergilandskabet stemmer tilfredsstillende overens med de eksperimentelle beviser. Dette understøtter yderligere Fm-3m højsymmetristrukturen som ansvarlig for den superledende rekord.