På vej mod fremtidens konduktører

Superledende ledninger kan transportere elektricitet uden tab. Dette vil give mulighed for mindre elproduktion, reduktion af både omkostninger og drivhusgasser. Desværre, omfattende køling står i vejen, fordi eksisterende superledere kun mister deres modstand ved ekstremt lave temperaturer. I journalen Angewandte Chemie , videnskabsmand har nu introduceret nye resultater om hydrogensulfid i H ₃ S form, og dens deuteriumanalog D ₃ S, som bliver superledende ved de relativt høje temperaturer på -77 og -107 °C, henholdsvis.

Dette gælder endda i sammenligning med de nuværende frontløbere, kobberholdig keramik med overgangstemperaturer, der starter ved omkring -135 °C. På trods af omfattende forskning i svovl/brint-systemer, mange vigtige spørgsmål tilbage. Mest vigtigt, superledende svovlbrinte blev tidligere fremstillet af "normalt" svovlbrinte, H ₂ S, som blev omdannet til en metallignende tilstand med en sammensætning af H ₃ S under tryk på omkring 150 GPa (1,5 millioner bar). Sådanne prøver blev uundgåeligt forurenet af brintudtømte urenheder, der kan forvrænge eksperimentelle resultater. For at undgå dette, forskere ledet af Vasily S. Minkov har nu fremstillet støkiometrisk H ₃ S ved at opvarme elementært svovl direkte med et overskud af brint (H ₂ ) med en laser, under pres. De producerede også prøver lavet med deuterium (D ₂ )-en isotop af brint.

Årsagen til den relativt høje overgangstemperatur af H ₃ S er dets hydrogenatomer, som resonerer med en særlig høj frekvens i krystalgitteret. Fordi deuterium atomer er tungere end brint, de resonerer langsommere, så lavere overgangstemperaturer forventedes for D ₃ S. Holdet ved Max-Planck Institute for Chemistry (Mainz, Tyskland), University of Chicago (USA), og Soreq Nuclear Research Center (Yavne, Israel) brugte en række analytiske metoder til at forfine fasediagrammerne for H ₃ S og D ₃ S i forhold til tryk og temperatur, og for at kaste yderligere lys over deres superledende egenskaber.

Ved 111 til 132 GPa og 400 til 700 °C, synteserne fremstillet ikke-metalliske, elektrisk isolerende strukturer (Cccm-faser), der ikke bliver til et metal, når de afkøles eller sættes yderligere under tryk. De indeholder H ₂ (eller D ₂ ) enheder i krystalstrukturen, som undertrykker superledning. De ønskede superledende strukturer, kubiske Im-3m faser, blev opnået ved synteser over 150 GPa ved 1200 til 1700 °C. De er metalliske og skinnende med lav elektrisk modstand. Ved 148 til 170 GPa, prøver af Im-3m-H ₃ S havde overgangstemperaturer omkring -77 °C. D ₃ S-analoger havde en overgangstemperatur på omkring -107 °C ved 157 GPa, hvilket er væsentligt højere end forventet. Fald i tryk fører reversibelt til en brat reduktion af overgangstemperaturen og tab af metalliske egenskaber. Dette er forårsaget af rhomboedriske forvrængninger i krystalstrukturen (R3m fase). Opvarmning under tryk omdanner irreversibelt R3m-fasen til Cccm-fasen. R3m er klart en metastabil mellemfase, der kun opstår under nedbrydning.

I fremtiden, forskerne håber at finde andre hydrogenrige forbindelser, der kan omdannes til metaller uden høje tryk og blive superledende ved stuetemperatur.