Forskere syntetiserer superledende materiale ved stuetemperatur

Komprimering af simple molekylære faste stoffer med hydrogen ved ekstremt høje tryk, Ingeniører og fysikere fra University of Rochester har, for første gang, skabt materiale, der er superledende ved stuetemperatur.

Fremhævet som omslagshistorie i tidsskriftet Natur , arbejdet blev udført af laboratoriet i Ranga Dias, en adjunkt i fysik og maskinteknik.

Dias siger, at udvikling af materialer, der er superledende - uden elektrisk modstand og udvisning af magnetfelt ved stuetemperatur - er den "hellige gral" i kondenseret fysik. Eftersøgt i mere end et århundrede, sådanne materialer "kan helt sikkert ændre verden, som vi kender den, "Siger Dias.

Ved indstillingen af ​​den nye rekord, Dias og hans forskerhold kombinerede brint med kulstof og svovl for fotokemisk at syntetisere simple organisk afledte kulsyreholdige svovlhydrider i en diamantamboltcelle, en forskningsindretning, der bruges til at undersøge små mængder materialer under ekstraordinært højt tryk.

Det carbonholdige svovlhydrid udviste supraledelse ved ca. 58 grader Fahrenheit og et tryk på ca. 39 millioner psi. Det er første gang, at superledende materiale er blevet observeret ved stuetemperatur.

"På grund af grænserne for lav temperatur, materialer med sådanne ekstraordinære egenskaber har ikke helt forvandlet verden på den måde, som mange måske havde forestillet sig. Imidlertid, vores opdagelse vil nedbryde disse barrierer og åbne døren for mange potentielle applikationer, "siger Dias, som også er tilknyttet universitetets Materials Science and High Energy Density Physics -programmer.

Ansøgninger omfatter:

• Strømnet, der sender elektricitet uden tab af op til 200 millioner megawattimer (MWh) af den energi, der nu opstår på grund af modstand i ledningerne.
• En ny måde at drive svævetog og andre former for transport på.
• Medicinsk billeddannelse og scanningsteknikker såsom MR og magnetokardiografi
• Hurtigere, mere effektiv elektronik til digital logik og teknologi til hukommelsesenheder.

"Vi lever i et halvleder -samfund, og med denne form for teknologi, du kan tage samfundet ind i et superledende samfund, hvor du aldrig får brug for ting som batterier igen, "siger Ashkan Salamat fra University of Nevada Las Vegas, en medforfatter til opdagelsen.

Mængden af ​​superledende materiale, der dannes af diamantamboltcellerne, måles i picoliter - omtrent på størrelse med en enkelt inkjetpartikel.

Den næste udfordring, Dias siger, finder måder at skabe rumledende superledende materialer ved lavere tryk, så de vil være økonomiske at producere i større volumen. I sammenligning med de millioner af pund tryk, der er skabt i diamantamboltceller, Jordens atmosfæriske tryk ved havniveau er omkring 15 PSI.

Hvorfor rumtemperatur er vigtig

Først opdaget i 1911, supraledning giver materialer to nøgleegenskaber. Elektrisk modstand forsvinder. Og enhver form for et magnetfelt udvises, på grund af et fænomen kaldet Meissner -effekten. Magnetfeltlinjerne skal passere rundt om det superledende materiale, gør det muligt at svæve sådanne materialer, noget der kunne bruges til gnidningsløse højhastighedstog, kendt som maglev -tog.

Kraftfulde superledende elektromagneter er allerede kritiske komponenter i maglavtog, magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og nuklear magnetisk resonans (NMR) maskiner, partikelacceleratorer og andre avancerede teknologier, herunder tidlige kvante -supercomputere.

Men de superledende materialer, der bruges i enhederne, fungerer normalt kun ved ekstremt lave temperaturer - lavere end nogen naturlige temperaturer på Jorden. Denne begrænsning gør dem dyre at vedligeholde - og for dyre at udvide til andre potentielle applikationer. "Omkostningerne ved at holde disse materialer ved kryogene temperaturer er så høje, at du ikke rigtig kan få det fulde udbytte af dem, "Siger Dias.

Tidligere har den højeste temperatur for et superledende materiale blev opnået sidste år i laboratoriet af Mikhail Eremets ved Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland, og Russell Hemley -gruppen ved University of Illinois i Chicago. Dette hold rapporterede superledning ved -10 til 8 grader Fahrenheit ved hjælp af lanthan -superhydrid.

Forskere har også undersøgt kobberoxider og jernbaserede kemikalier som potentielle kandidater til høj temperatur superledere i de seneste år. Imidlertid, brint - det mest forekommende element i universet - tilbyder også en lovende byggesten.

"For at have en høj temperatur superleder, du vil have stærkere bindinger og lette elementer. Det er de to helt grundlæggende kriterier, "Dias siger." Hydrogen er det letteste materiale, og hydrogenbindingen er en af ​​de stærkeste.

"Fast metallisk brint er teoretiseret til at have en høj Debye-temperatur og en stærk elektron-fonon-kobling, der er nødvendig for superledelse ved stuetemperatur, "Siger Dias.

Imidlertid, ekstraordinært høje tryk er nødvendige bare for at få rent hydrogen til en metallisk tilstand, som først blev opnået i et laboratorium i 2017 af Harvard University professor Isaac Silvera og Dias, derefter en postdoc i Silveras laboratorium.

Et 'paradigmeskift'

Også, Dias 'laboratorium i Rochester har forfulgt et "paradigmeskift" i sin tilgang, bruge som et alternativ, hydrogenrige materialer, der efterligner den undvigende superledende fase af rent brint, og kan metaliseres ved meget lavere tryk.

Først kombinerede laboratoriet yttrium og hydrogen. Det resulterende yttrium -superhydrid udviste supraledelse ved dengang en rekordhøj temperatur på cirka 12 grader Fahrenheit og et tryk på cirka 26 millioner pund pr.

Derefter undersøgte laboratoriet kovalente hydrogenrige organiske afledte materialer.

Dette arbejde resulterede i det carbonholdige svovlhydrid. "Denne tilstedeværelse af kulstof er af lige stor betydning her, "forskerne rapporterer. Yderligere" kompositionel tuning "af denne kombination af elementer kan være nøglen til at opnå superledning ved endnu højere temperaturer, tilføjer de.