Hydridforskning flytter grænser for praktisk, tilgængelig superledning

Videnskaben tager et skridt fremad i jagten på superledere, der ikke kræver ultrahøjt tryk for at fungere, takket være multinational forskning ledet af Xiaojia Chen ved University of Houston.

"Det har længe været superledningsforskeres mål at lette eller endda eliminere de kritiske kontroller, der i øjeblikket kræves med hensyn til temperatur og tryk," sagde Chen, M.D. Anderson professor i fysik ved UH's College of Natural Sciences and Mathematics og en hovedforsker ved Texas Center for superledning på UH.

Udviklingen i retning af at eliminere den nuværende specielle håndtering, der nu kræves af superledende materiale - som er defineret som materiale, der tilbyder ringe eller ingen impedans fra elektrisk modstand eller magnetiske felter - antyder, at potentialet for radikale stigninger i effektivitet for visse processer inden for forskning, sundhedspleje, industri og andre kommercielle virksomheder kan blive virkelighed inden længe.

Men i øjeblikket strækker de nødvendige betingelser for vellykket superledning ressourcerne for mange potentielle brugere, endda mange forskningslaboratorier.

Chen forklarer, at sænkning af det tilgængelige tryk for superledning er et vigtigt mål for de nuværende undersøgelser af hydrider. "Men eksperimenterne er stadig udfordret i at levere et sæt overbevisende beviser," sagde han.

"For eksempel er sjældne jordarters hydrider blevet rapporteret at udvise superledning nær stuetemperatur. Dette er baseret på observationer af to væsentlige egenskaber - nul-modstandstilstanden og Meissner-effekten," sagde Chen.

(Meissner-effekten, opdaget i 1933, genkender et fald eller omvendt magnetisme, da et materiale opnår superledning, hvilket giver fysikere en metode til at måle ændringen.)

"Men disse superledende sjældne jordarters materialer udførte kun på målet ved ekstremt høje tryk. For at gøre fremskridt er vi nødt til at reducere syntesetrykket så lavt som muligt, ideelt set til atmosfæreforholdene," forklarede Chen.

Chens team fandt deres gennembrud med deres valg af ledende medier - legeringer af hydrid, som er laboratoriefremstillede metalliske stoffer, der inkluderer brintmolekyler med to elektroner. Specifikt arbejdede de med yttrium-ceriumhydrider (Y_0,5 Ce_0,5 H₉ ) og lanthan-ceriumhydrider (La_0,5 Ce_0,5 H₁₀ ).

Inkluderingen af ​​Cerium (Ce) blev set som en vigtig forskel.

"Disse observationer blev foreslået på grund af den forbedrede kemiske prækompressionseffekt gennem introduktionen af ​​Ce-elementet i disse superhydrider," forklarede Chen.

To tidsskriftsartikler beskriver holdets resultater. Den nyere, i Nature Communications , fokuserer på yttrium-ceriumhydrider; den anden, i Journal of Physics:Condensed Matter , koncentrerer sig om lanthan-ceriumhydrider.

Holdet har fundet ud af, at disse superledere kan opretholde relativt høje overgangstemperaturer. Med andre ord er lanthan-ceriumhydriderne og yttrium-ceriumhydriderne i stand til superledning under mindre ekstreme forhold (ved lavere tryk, men opretholder relativt højere overgangstemperatur), end det er blevet opnået før.

"Dette bevæger os fremad i vores udvikling mod et brugbart og relativt tilgængeligt superledende medie," sagde Chen. "Vi udsatte vores resultater for flere målinger af den elektriske transport, synkrotron røntgendiffraktion, Raman-spredning og teoretiske beregninger. Testene bekræftede, at vores resultater forbliver konsistente."

"Denne opdagelse peger på en vej mod høj-temperatur superledning, som kan være tilgængelig i mange nuværende laboratorieindstillinger," forklarede Chen. Hydridforskningen flytter grænsen langt ud over den anerkendte standard, der er fastsat af kobberoxider (også kendt som kuprater).

"Vi har stadig en vej at gå for at nå virkelige omgivende forhold. Målet er fortsat at opnå superledning ved stuetemperatur og i tryk svarende til vores velkendte atmosfære på jorden. Så forskningen fortsætter," sagde Chen.

Flere oplysninger: Liu-Cheng Chen et al., Syntese og superledning i yttrium-ceriumhydrider ved høje tryk, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46133-x

Ge Huang et al., Syntese af superledende fase af La0.5Ce0.5H10 ved høje tryk, Journal of Physics:Condensed Matter (2023). DOI:10.1088/1361-648X/ad0915

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Houston