Forskere finder en regel for at forudsige nye superledende metalhydrider

Søgningen efter eftertragtede høj temperatur superledere bliver lettere med en ny 'lov inden for en lov' opdaget af Skoltech og MIPT forskere og deres kolleger, der fandt ud af en sammenhæng mellem et elements position i det periodiske system og dets potentiale til at danne et superledende hydrid ved høj temperatur. Det nye papir er offentliggjort i tidsskriftet Nuværende udtalelse om solid state og materialevidenskab . Forskningen blev støttet af Russian Science Foundation.

Superledende materialer, med nul modstand og dermed ingen spredning af energi til varme, ville være yderst nyttig til vores elektronik og elnet. Superledende magneter bruges allerede i MR -maskinen på dit lokale hospital og i partikelacceleratorer som f.eks. Large Hadron Collider på CERN.

Lige nu er der to måder at komme til superledning på, begge ekstremer:meget lave temperaturer eller meget høje tryk. Nogle af de "varmeste" superledere af den første slags, cuprater, stadig skal afkøles til ca. 100 K (-173 ° C), hvilket er langt fra normale forhold. Der er forudsigelser om, at metallisk brint kan vise superledende egenskaber ved næsten stuetemperatur; fangsten er i det nødvendige tryk, hvilket er mere end 4 millioner atmosfærer, næsten ved grænsen for vores tekniske kapacitet.

Derfor ser forskere på hydrider, hydrogenforbindelser og et andet grundstof, og det har vist sig, at de fungerer som superledere ved relativt høje temperaturer og lavere tryk. Den nuværende rekord på op til minus 23 grader C blev vist sidste år for LaH ₁₀ , lanthan decahydrid, ved et tryk på 170 gigapascal, eller 1,7 millioner atmosfærer. Selvom trykket stadig er for højt til at muliggøre praktisk brug, forskning i superledende hydrider har allerede vigtige konsekvenser for andre klasser af superledere, som kunne fungere ved normalt tryk og temperatur.

Skoltech Ph.D. studerende Dmitrii Semenok og Skoltech og MIPT -professor Artem R. Oganov har sammen med deres kolleger fundet en regel, der gør det muligt at forudsige den maksimale superledende kritiske temperatur, maxT _C , for et metalhydrid, der kun er baseret på den elektroniske struktur af metalatomer. Det betyder, at det bliver lettere at søge efter nye superledende hydrider.

"Forbindelsen mellem superledning og det periodiske system var i begyndelsen forvirrende. Vi er stadig ikke helt sikre på dens oprindelse, men vi tror, ​​at det er fordi elementer ved grænsen mellem s- og p- eller s- og d-elementer (nogenlunde mellem 2. og 3. gruppe i tabellen) har elektronisk struktur usædvanligt følsom over for krystalfeltet, og dette er perfekt til elektron-fonon-koblingen, som er årsagen til superledning i hydrider, "sagde Artem R. Oganov, medforfatter til værket.

Udover at opdage en kvalitativ regel, de trænede også et neuralt netværk til at forudsige maxT _C for forbindelser, hvor der ikke var tilgængelige eksperimentelle eller teoretiske data. For nogle elementer, tidligere publicerede data om Tc af hydrider syntes at afvige fra regelmæssig adfærd. Forskerne satte sig derefter for at kontrollere disse data ved hjælp af USPEX, den evolutionære algoritme udviklet af Oganov og hans elever til at forudsige termodynamisk stabile hydrider af disse elementer.

"For elementer, hvor de offentliggjorte værdier for maxTc var (baseret på den opdagede regel) for lave eller for høje, gruppen udførte systematiske søgninger efter stabile hydrider. Deres nye data bekræftede den opdagede regel og gav nye hydrider for magnesium (Mg), strontium (Sr), barium (Ba), cæsium (Cs) og rubidium (Rb). For eksempel, et forudsagt strontiumhexahydrid, SrH ₆ , har en maxT _C 189 K (minus 84 grader C) ved 100 GPa, mens BaH ₁₂ , et teoretisk bariumsuperhydrid, kan have en relativt høj maxT _C op til 214 K (minus 59 grader C), sagde Alexander Kvashnin, Skoltech og MIPT seniorforsker og medforfatter af forskningen.

Tidligere i 2019, Oganov og hans kolleger fra Rusland, USA og Kina syntetiserede ceriumsuperhydrid CeH ₉ , som har superledende egenskaber ved 100-110 K og ved et (relativt) lavt tryk på 120 GPa. En anden superleder opdaget af forskningsgruppen (Dmitry Semenok, Ivan Troyan, Alexander Kvashnin, Artem R. Oganov, og deres kolleger), thoriumhydrid ThH10, har en høj kritisk temperatur på 161 K.

"Nu, ved hjælp af den nyopdagede regel og det neurale netværk kan vi fokusere på mere komplekse forbindelser, som er endnu mere lovende i vores søgen efter stuetemperatur-superledningsevne-ternære superhydrider, der indeholder to elementer og hydrogen. Vi har allerede forudsagt et antal hydrider, der kan konkurrere med eller overstige LaH ₁₀ , "sagde den første forfatter til værket, Dmitrii Semenok.