Forskere udvikler et grundlæggende værktøj til at forstå adfærd af hydridsuperledere ved højt tryk

Brint (som mange af os) virker underligt under pres. Teori forudsiger, at når det knuses af vægten af ​​mere end en million gange vores atmosfære, bliver dette lette, rigelige, normalt gasformige element først et metal, og endnu mere mærkeligt, en superleder - et materiale, der leder elektricitet uden modstand.

Forskere har været ivrige efter at forstå og i sidste ende udnytte superledende hydrogenrige forbindelser, kaldet hydrider, til praktiske anvendelser - fra svævende tog til partikeldetektorer. Men at studere adfærden af ​​disse og andre materialer under enorme, vedvarende pres er alt andet end praktisk, og nøjagtig måling af denne adfærd varierer et sted mellem et mareridt og umuligt.

Ligesom lommeregneren gjorde for aritmetik, og ChatGPT har gjort for at skrive essays i fem afsnit, mener Harvard-forskere, at de har et grundlæggende værktøj til det vanskelige problem med, hvordan man måler og afbilder adfærden af ​​hydridsuperledere ved højt tryk.

Udgivelse i Nature , rapporterer de kreativt at integrere kvantesensorer i en standard trykinducerende enhed, hvilket muliggør direkte aflæsning af det tryksatte materiales elektriske og magnetiske egenskaber.

Innovationen kom fra et mangeårigt samarbejde mellem professor i fysik Norman Yao Ph.D., og professor i Boston University og tidligere Harvard postdoc Christopher Laumann, som sammen brød fra deres teoretikerbaggrund ind i de praktiske overvejelser om højtryksmåling for flere år siden.

Standardmetoden til at studere hydrider under ekstreme tryk er med et instrument kaldet en diamantamboltcelle, som klemmer en lille mængde materiale mellem to brillantslebne diamantgrænseflader.

For at opdage, hvornår en prøve er blevet klemt nok til at gå superledende, leder fysikere typisk efter en dobbeltsignatur:et fald i elektrisk modstand til nul, såvel som frastødningen af ​​ethvert nærliggende magnetfelt, også kendt som Meissner-effekten. (Dette er grunden til, at en keramisk superleder, når den afkøles med flydende nitrogen, vil svæve over en magnet).

Problemet ligger i at fange disse detaljer. For at påføre det nødvendige tryk skal prøven holdes på plads af en pakning, der jævnt fordeler squishing, og derefter indesluttet i et kammer. Dette gør det svært at "se" hvad der sker indeni, så fysikere har været nødt til at bruge løsninger, der involverer flere prøver for at måle forskellige effekter separat.

"Området med superledende hydrider har været en smule kontroversielt, dels fordi måleteknikkerne ved høje tryk er så begrænsede," sagde Yao.

"Problemet er, at man ikke bare kan stikke en sensor eller en sonde inde, for alt er lukket af og ved meget høje tryk. Det gør det ekstremt vanskeligt at få adgang til lokale informationer inde fra kammeret. Som et resultat har ingen rigtigt observeret de dobbelte signaturer af superledning i en enkelt prøve."

For at løse problemet designet og testede forskerne en smart eftermontering:De integrerede et tyndt lag af sensorer, lavet af naturligt forekommende defekter i diamantens atomare krystalgitter, direkte på overfladen af ​​diamantambolten. De brugte disse effektive kvantesensorer, kaldet nitrogen-tomgangscentre, til at afbilde områder inde i kammeret, mens prøven er under tryk og krydser ind i superledende territorium.

For at bevise deres koncept arbejdede de med ceriumhydrid, et materiale, der vides at blive en superleder ved omkring en million atmosfæres tryk, eller hvad fysikere kalder megabar-regimet.

Det nye værktøj kunne hjælpe feltet ikke kun ved at muliggøre opdagelse af nye superledende hydrider, men også ved at give lettere adgang til de eftertragtede egenskaber i eksisterende materialer til fortsat undersøgelse.

"Du kan forestille dig, at fordi du nu laver noget i en [nitrogen ledig stilling] diamantambolt celle, og du kan straks se, at 'dette område er nu superledende, dette område er ikke', kunne du optimere din syntese og komme med en måde at lave meget bedre prøver på," sagde Laumann.

Flere oplysninger: Norman Yao, billeddannelse af Meissner-effekten i hydridsuperledere ved hjælp af kvantesensorer, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07026-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Harvard University