Superledningsevne:Dens brintfejl

Sidste sommer, der blev udråbt en ny tidsalder for høj temperatur superledelse-nikkelalderen. Det blev opdaget, at der er lovende superledere i en særlig klasse af materialer, de såkaldte nikkelater, som kan lede elektrisk strøm uden modstand selv ved høje temperaturer.

Imidlertid, det viste sig hurtigt, at disse oprindeligt spektakulære resultater fra Stanford ikke kunne gengives af andre forskningsgrupper. TU Wien (Wien) har nu fundet årsagen til dette:I nogle nikkelater er yderligere brintatomer inkorporeret i materialestrukturen. Dette ændrer fuldstændigt materialets elektriske opførsel. I produktionen af ​​de nye superledere, denne effekt skal nu tages i betragtning.

Søgningen efter høj temperatur superledere

Nogle materialer er kun superledende nær absolutte temperaturnul - sådanne superledere er ikke egnede til tekniske applikationer. Derfor, i årtier, folk har ledt efter materialer, der forbliver superledende selv ved højere temperaturer. I 1980'erne, "højtemperatur-superledere" blev opdaget. Det der i denne sammenhæng betegnes som "høje temperaturer", imidlertid, er stadig meget kold:Selv højtemperatur-superledere skal afkøles kraftigt for at opnå deres superledende egenskaber. Derfor, søgningen efter nye superledere ved endnu højere temperaturer fortsætter.

"I lang tid, særlig opmærksomhed blev lagt på såkaldte cuprates, dvs. forbindelser indeholdende kobber. Derfor taler vi også om kobberalderen", forklarer prof. Karsten Held fra Institute of Solid State Physics på TU Wien. "Med disse cuprates, der blev gjort nogle vigtige fremskridt, selvom der stadig er mange åbne spørgsmål i teorien om højtemperatursuperledning i dag".

Men i et stykke tid nu, andre muligheder har også været under overvejelse. Der var allerede en såkaldt "jernalder" baseret på jernholdige superledere. I sommeren 2019, forskergruppen i Harold Y. Hwangs forskergruppe fra Stanford lykkedes så at påvise højtemperatursuperledning i nikkelater. "Baseret på vores beregninger, vi foreslog allerede nikkelater som superledere for 10 år siden, men de var noget anderledes end dem, der nu er blevet opdaget. De er relateret til cuprates, men indeholder nikkel i stedet for kobberatomer, siger Karsten Held.

Problemet med brint

Efter en vis indledende entusiasme, imidlertid, det er blevet tydeligt i de seneste måneder, at nikkelatsuperledere er sværere at producere end først antaget. Andre forskergrupper rapporterede, at deres nikkelater ikke har superledende egenskaber. Denne tilsyneladende modsigelse er nu blevet afklaret på TU Wien.

"Vi analyserede nikkelaterne ved hjælp af supercomputere og fandt ud af, at de er ekstremt modtagelige for hydrogen i materialet, " rapporterer Liang Si (TU Wien). I syntesen af ​​visse nikkelater, hydrogenatomer kan inkorporeres, som fuldstændig ændrer materialets elektroniske egenskaber. "Imidlertid, dette sker ikke med alle nikkelater, " siger Liang Si, "Vores beregninger viser, at for de fleste af dem, det er energimæssigt mere gunstigt at inkorporere brint, men ikke for nikkelaterne fra Stanford. Selv små ændringer i syntesebetingelserne kan gøre en forskel." Sidste fredag ​​kunne gruppen omkring Ariando Ariando fra NUS Singapore fortælle, at det også lykkedes dem at producere superledende nikkelater. De lader brinten, der frigives i produktionsprocessen, slippe ud med det samme.

Beregning af den kritiske temperatur med supercomputere

På TU Wien udvikles og bruges nye computerberegningsmetoder til at forstå og forudsige egenskaberne af nikkelater. "Da et stort antal kvantefysiske partikler altid spiller en rolle her på samme tid, beregningerne er ekstremt komplekse, " siger Liang Si, "Men ved at kombinere forskellige metoder, vi er nu endda i stand til at estimere den kritiske temperatur, op til hvilke de forskellige materialer er superledende. Sådanne pålidelige beregninger har ikke været mulige før." holdet ved TU Wien var i stand til at beregne det tilladte område af strontiumkoncentration, som nikkelaterne er superledende for - og denne forudsigelse er nu blevet bekræftet i et forsøg.

"Højtemperatursuperledning er et ekstremt komplekst og vanskeligt forskningsfelt, " siger Karsten Held. "De nye nikkelatsuperledere, sammen med vores teoretiske forståelse og forudsigelseskraften i computerberegninger, åbne et helt nyt perspektiv på den store drøm om faststoffysik:en superleder ved omgivelsestemperatur, der derfor fungerer uden nogen form for afkøling."