Forskere skabte en umulig superledende forbindelse

Forskere har skabt nye superledende forbindelser af hydrogen og praseodym, et sjældent jordarters metal, et stof er noget af en overraskelse set fra klassisk kemi. Undersøgelsen hjalp med at finde de optimale metaller til stuetemperatur superledere. Resultaterne blev offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

En teori, der har udviklet sig i de sidste 15 år, antager, at brintforbindelser (hydrider) kan danne fremragende superledere - dvs. stoffer, der har nul elektrisk modstand, når de køles ned til en bestemt temperatur og er i stand til at transportere elektricitet uden tab, hvilket er særligt værdifuldt for elnetværk. Imidlertid, det problem, som forskerne stadig stræber efter at finde ud af, er den temperatur, ved hvilken et stof opnår superledning. For de fleste forbindelser er det meget lavt, så superledere, der bruges i det virkelige liv, køles typisk med flydende helium ved hjælp af komplekst og kostbart udstyr. Fysikere har travlt med at lede efter et stof, der opnår superledning ved stuetemperatur. En af de sandsynlige kandidater er metallisk brint, men det nødvendige tryk for at producere det overstiger 4 millioner atmosfærer!

En gruppe russiske forskere fra Skoltech og kinesiske forskere fra Jilin University udgav et papir med deres forskningsresultater med første forfattere Dmitry Semenok og Di Zhou. Deres team skabte forbindelser af brint og praseodym, et metal fra lanthanid-serien, og studerede deres fysiske egenskaber. Forfatterne syntetiserede flere forbindelser med forskellige forhold mellem atomer for hvert grundstof. At gøre dette, de anbragte praseodym- og brintprøver i et specielt kammer, hvor de blev presset mellem to kegleformede diamanter, så trykket steg til 40 GPa, og blev laseropvarmet.

Grundstofferne blev komprimeret og reagerede for at danne forbindelsen PrH3. Bagsiden er, at diamanter har en tendens til at blive for skrøbelige og bryde sammen, når de kommer i kontakt med brint. Forskerne erstattede derefter rent brint med ammoniumboran, en forbindelse, der indeholder en stor mængde brint, der let frigives, når den opvarmes og reagerer med praseodym. Forskerne fandt, at denne metode var mere effektiv og fortsatte med at bruge den i yderligere eksperimenter. Ved at øge trykket, de opnåede PrH9. tidligere, de havde syntetiseret forbindelser af brint og lanthan, et andet metal fra samme serie, ved hjælp af samme teknik. De molekyler, de opnåede, er specielle ved, at de er en "lovløs" i klassisk kemi, da de ikke adlyder dens regler. Selvom praseodymium-atomets elektroniske struktur er sådan, at det ikke tillader det at binde sig til mange andre atomer, eksistensen af ​​sådanne "ukorrekte" forbindelser kan forudsiges ved komplekse kvanteberegninger og bevises ved eksperimenter.

Også, forskerne undersøgte de nye stoffers superledningsevne ved at måle elektrisk modstand ved forskellige temperaturer og tryk og fandt ud af, at praseodymhydrid bliver superledende ved -264 °C, hvilket er meget lavere sammenlignet med LaH10, selvom de to forbindelser er ens både kemisk og strukturelt. Forfatterne undersøgte årsagerne til forskellen i egenskaberne ved at sammenligne deres resultater med andre undersøgelser og fandt ud af, at metalets position i det periodiske system og dets egenskaber spiller en afgørende rolle. Det viste sig, at praseodym-atomer fungerer som donorer for elektroner:i modsætning til deres naboer, lanthan og cerium, de bærer små magnetiske momenter, der undertrykker superledning, som stadig kan forekomme, dog ved lavere temperaturer.

"Vi anvendte den metode, der tidligere blev brugt til at syntetisere lanthanhydrider og lykkedes med at skabe nye superledende metalliske praseodymhydrider. Vi drog to hovedkonklusioner. For det første, du kan få unormale forbindelser med sammensætninger, der ikke har noget at gøre med valens; det er, antallet af bindinger et atom kan have med andre atomer. Sekund, vi validerede det nye princip for at skabe superledere. Vi fandt ud af, at metallerne fra "labilitetszonen" placeret mellem gruppe II og III i det periodiske system er de bedste kandidater. Grundstofferne nærmest "labilitetszonen" er lanthan og cerium. Fremadrettet, vi vil gå videre fra denne opdagelse for at få nye høj-temperatur superledere, " sagde Skoltech og MIPT professor, Artem Oganov.