Forskere afklarer, hvordan den bedst kendte superleder virker

I en række eksperimenter med lanthansuperhydrid med urenheder har forskere fra Skoltech, Lebedev Physical Institute of RAS og deres kolleger fra USA, Tyskland og Japan etableret mekanismen bag den højeste temperatursuperledningsevne i polyhydrider, der er observeret til dato. Rapporteret i Avanceret materiale , baner opdagelsen vejen for fremtidige undersøgelser, der forfølger materialer, der leder elektricitet med nul modstand ved eller tæt på stuetemperatur. De ville være nyttige til superledende elektronik og kvantecomputere, maglev-tog, MRI-maskiner, partikelacceleratorer og måske endda nukleare fissionsreaktorer og tabsfri kraftledninger, hvis du er til den slags.

Hvis ikke materialevidenskabens hellige gral, er superledere nær stuetemperatur bestemt blandt de mest eftertragtede materialer med teknologiske anvendelser. Hvis det opdages, ville et sådant materiale muliggøre monsterelektromagneter, der kan bruges i fundamentale forskningsinstrumenter, såsom ultrapræcise magnetiske sensorer og partikelacceleratorer, der ville få Large Hadron Collider til at virke spinkel, såvel som i medicinsk teknologi (bedre MRI-scannere), magnetiske levitationstog, miniaturemotorer og generatorer og gadgets med forlænget batterilevetid. Blandt de mere futuristiske applikationer er langdistance-transmissionsledninger, der ville levere elektricitet næsten uden tab.

Teoretisk set burde ren brint være den bedste højtemperatur-superleder, forudsat at du kunne klemme den hårdt nok til at forvandle den til et metal. Men det er mildest talt noget af en udfordring. Så i stedet udforsker forskere forbindelser, der indeholder yderligere elementer, udover masser af brint. På den måde ofrer de noget af temperaturen for at bringe det nødvendige tryk for at stabilisere det superledende materiale ned og ind i området af, hvad der er teknologisk muligt.

"Lige nu, lanthansuperhydrid LaH₁₀ er topkandidaten i dette superlederløb med en kritisk temperatur på minus 23 grader Celsius," kommenterede undersøgelsens hovedforsker, Skoltech-professor Artem R. Oganov. "Dette er meget imponerende, men for at nå endnu højere, var vi først nødt til at forstå, hvordan superledning i dette materiale virker. Nu gør vi det."

Der er flere mekanismer, der kan aktivere elektrisk ledningsevne med nul modstand. Den bedst forståede kaldes konventionel fononmedieret superledning. Det opstår i kraft af elektroninteraktioner med krystalgitteroscillationer. Den veletablerede teori om konventionel superledning kan bruges til at forbedre lanthansuperhydrid, måske ved at introducere et afgørende tredje element for at skabe en ny forbindelse af brint og to andre velvalgte grundstoffer.

"Problemet var indtil nu, at der ikke eksisterede nogen model af ternære superledende systemer til at finde ud af, hvor meget vi kan forbedre de superledende egenskaber af polyhydrider. Så der var en del usikkerhed, der hindrede og slørede fremskridtet i jagten på nærværelset -temperatursuperledning. Vi har ryddet vejen ved at eliminere denne usikkerhed," sagde Oganov.

Hans team etablerede adfærd for superledning i lanthansuperhydrid baseret på det bredt accepterede Andersons teorem. Den siger, at konventionelle superledere - og kun dem - bevarer deres egenskaber, når en ikke-magnetisk urenhed indføres, men lider af et fald i den kritiske temperatur for superledning, når de er doteret med magnetiske urenheder.

"Efter at have bekræftet i et tidligere papir, at tilsætningen af ​​yttrium, som er ikke-magnetisk, ikke påvirker den kritiske temperatur for superledning i LaH₁₀ , dopede vi dette materiale med det magnetiske neodym i stedet. Og ganske rigtigt, jo flere neodymatomer der blev tilføjet, desto mere undertrykte denne superledning, og i sidste ende ødelagde den den ved omkring 15 til 20 atomprocent indhold af Nd," sagde Dmitrii Semenok, en Ph.D.-studerende ved Skoltech og hovedforfatter af undersøgelsen .

Ifølge forskerne har vi nu en bedre forståelse af, hvordan urenheder vil påvirke superledningsevnen i hydrider og kan forudsige egenskaberne af mange sådanne ternære hydridsystemer. Holdet vil stole på de etablerede konklusioner for at forudsige, syntetisere og teste nye tre-element hydrogenrige forbindelser, forhåbentlig forbedre lanthansuperhydrid ved at bringe dets kritiske temperatur op, syntesetrykket ned eller begge dele.

Forskning i unormale hydridforbindelser har gjort meget for at fremme vores forståelse af og fjerne misforståelser om superledning. Meget af denne forskning har gjort brug af USPEX, et computerprogram udviklet af Oganov til at forudsige de stort set kontraintuitive forbindelser, der eksisterer ved meget høje tryk. + Udforsk yderligere

Nye ternære hydrider af lanthan og yttrium slutter sig til rækken af ​​højtemperatur-superledere