„Uważamy, że jest to teraz nowa era nadprzewodnictwa” - powiedział Russell Hemley, naukowiec z George Washington University w Waszyngtonie, tłumowi naukowców 4 marca na marcowym spotkaniu American Physical Society.
Na ekranie pojawiły się obrazy: schemat urządzenia do miażdżenia drobiazgów między supertwardymi punktami przeciwstawnych diamentów, wykresy temperatury i oporu elektrycznego, świecąca kula z szorstkim, czarnym „X” przeciętym na środku.
Ten ostatni obraz był ucieleśnieniem samej nowej ery: niewielka próbka nadtlenku lantanu (lub LaH10) ściśnięta do ciśnień podobnych do tych, które znaleziono w połowie rdzenia Ziemi i ogrzana laserem do temperatur zbliżających się do energicznego dnia późnej zimy w Nowej Anglii . (To ciepło palące według standardów badań nadprzewodnictwa, zwykle przeprowadzanych w ekstremalnych warunkach laboratoryjnych). W tych warunkach Hemley i jego zespół stwierdzili, że LaH10 wydaje się przestać opierać ruchowi elektronów między jego atomami. Najwyraźniej staje się, jak to określił Hemley w swoim przemówieniu na temat APS oraz w artykule opublikowanym 14 stycznia w czasopiśmie Physical Review Letters, „nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej”.
Zamrożona nauka
W 1911 roku holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes odkrył, że w ekstremalnie niskich temperaturach niektóre substancje wykazują niezwykłe właściwości elektryczne.
W normalnych okolicznościach prąd elektryczny przepływający przez materiał przewodzący (jak drut miedziany) straci po drodze intensywność. Nawet bardzo dobre przewodniki, których używamy w naszych sieciach elektrycznych, są niedoskonałe i nie transportują całej energii z elektrowni do gniazdka w ścianie. Niektóre elektrony po prostu gubią się po drodze.
Ale nadprzewodniki są różne. Prąd elektryczny wprowadzony do pętli drutu nadprzewodzącego będzie nadal krążył wiecznie, bez żadnych strat. Nadprzewodniki usuwają pola magnetyczne, a zatem silnie odpychają magnesy. Mają zastosowania w szybkich obliczeniach i innych technologiach. Problem polega na tym, że bardzo niskie temperatury, w których zwykle działają nadprzewodniki, sprawiają, że są one niepraktyczne do powszechnego użytku.
Polowanie bez mapy
Przez ponad wiek fizycy polowali na nadprzewodnictwo w cieplejszych materiałach. Ale znalezienie nadprzewodnictwa jest trochę jak uderzające złoto: wcześniejsze doświadczenia i teorie mogą ogólnie powiedzieć, gdzie go szukać, ale tak naprawdę nie będziesz wiedział, gdzie to jest, dopóki nie wykonasz kosztownej, czasochłonnej pracy sprawdzania.
„Masz tak wiele materiałów. Masz ogromną przestrzeń do eksploracji” - powiedziała Lilia Boeri, fizyk z Sapienza University of Rome, która przedstawiła pracę po Hemleyu, badając możliwości nadprzewodników jeszcze cieplejszych niż LaH10 i wyjaśniając, dlaczego takie materiały są takie nadprzewodzący przy ekstremalnych ciśnieniach.
W 1986 r. Naukowcy odkryli ceramikę, która była nadprzewodząca w temperaturach sięgających 30 stopni powyżej zera absolutnego lub minus 406 stopni Fahrenheita (minus 243 stopnie Celsjusza). Później, w latach 90., badacze po raz pierwszy poważnie przyjrzeli się bardzo wysokim ciśnieniom, aby sprawdzić, czy mogą ujawnić nowe rodzaje nadprzewodników.
Ale w tym momencie, Boeri powiedział Live Science, wciąż nie było dobrego sposobu na ustalenie, czy materiał okaże się nadprzewodzący lub w jakiej temperaturze to zrobi, dopóki nie zostanie przetestowany. W rezultacie krytyczne zapisy temperatury - temperatury, w których pojawia się nadprzewodnictwo - pozostały bardzo niskie.
„Teoretyczne ramy były, ale nie mieli możliwości ich użycia” - powiedział Boeri.
Kolejny wielki przełom nastąpił w 2001 r., Kiedy naukowcy wykazali, że diborek magnezu (MgB2) był nadprzewodzący w temperaturze 39 stopni powyżej zera absolutnego lub minus 389 F (minus 234 C).
„była dość niska”, powiedziała, „ale w tym czasie nastąpił znaczący przełom, ponieważ pokazał, że można mieć nadprzewodnictwo w temperaturze krytycznej, która była dwa razy wyższa niż wcześniej uważano za możliwe”.
Kruszący wodór
Od tego czasu polowanie na ciepłe nadprzewodniki zmieniło się na dwa kluczowe sposoby: naukowcy z materiałów zdali sobie sprawę, że lżejsze elementy oferują kuszące możliwości nadprzewodnictwa. Tymczasem modele komputerowe posunęły się do tego stopnia, że teoretycy mogli z góry przewidzieć dokładnie, jak mogą zachowywać się materiały w ekstremalnych okolicznościach.
Fizycy zaczęli w oczywistym miejscu.
„Więc chcesz użyć lekkich pierwiastków, a najlżejszym pierwiastkiem jest wodór” - powiedział Boeri. „Ale problemem jest sam wodór - nie można go uczynić nadprzewodzącym, ponieważ jest on izolatorem. Aby mieć nadprzewodnik, najpierw musisz zrobić z niego metal. Musisz coś z tym zrobić, a najlepiej, co możesz zrobić to ściśnij ”.
W chemii metal to właściwie każda kolekcja atomów połączonych ze sobą, ponieważ siedzą w swobodnie płynącej zupie elektronów. Większość materiałów, które nazywamy metalami, takimi jak miedź lub żelazo, jest metalowa w temperaturze pokojowej i pod komfortowym ciśnieniem atmosferycznym. Ale inne materiały mogą stać się metalami w bardziej ekstremalnych warunkach.
Teoretycznie wodór jest jednym z nich. Ale jest problem.
„Wymaga to znacznie większej presji niż można to zrobić przy użyciu istniejącej technologii” - powiedział w swoim przemówieniu Hemley.
To pozostawia naukowców poszukujących materiałów zawierających dużo wodoru, które będą tworzyć metale - i, miejmy nadzieję, staną się nadprzewodzące, przy osiągalnych ciśnieniach.
W tej chwili teoretycy Boeri pracujący z modelami komputerowymi oferują eksperymentalistom materiały, które mogą być nadprzewodnikami. A eksperymentatorzy wybierają najlepsze opcje do przetestowania.
Hemley powiedział jednak, że wartości tych modeli są ograniczone. Nie każda prognoza sprawdza się w laboratorium.
„W tej pracy można bardzo skutecznie wykorzystywać obliczenia, ale trzeba to zrobić krytycznie i dostarczyć ostatecznie eksperymentalne testy” - powiedział zgromadzonemu tłumowi.
Hemley i jego zespół „nadprzewodnik temperatury pokojowej” LaH10 wydaje się być najbardziej ekscytującym jak dotąd wynikiem tej nowej ery badań. Zmiażdżona do około miliona razy ciśnienia ziemskiej atmosfery (200 gigapaskali) między punktami dwóch przeciwstawnych diamentów, próbka LaH10 wydaje się stać nadprzewodząca przy 260 stopniach powyżej absolutnego zera, czyli 8 F (minus 13 C).
Kolejna seria eksperymentu opisana w tym samym artykule okazała się wykazywać nadprzewodnictwo przy 280 stopniach powyżej zera absolutnego lub 44 F (7 ° C). Jest to chłodna temperatura pokojowa, ale niezbyt trudna do osiągnięcia.
Hemley zakończył swoją rozmowę, sugerując, że na drodze ta praca pod wysokim ciśnieniem może prowadzić do materiałów, które są nadprzewodnikami zarówno w ciepłych temperaturach, jak i przy normalnych ciśnieniach. Powiedział, że być może materiał, który znajdzie się pod ciśnieniem, może pozostać nadprzewodnikiem po uwolnieniu ciśnienia. A może lekcje o strukturze chemicznej wyciągnięte w wysokich temperaturach mogą wskazać drogę do nadprzewodzących struktur niskociśnieniowych.
To zmieniłoby grę, powiedział Boeri.
„To jest w zasadzie podstawowe badanie. Nie ma zastosowania” - powiedziała. „Ale powiedzmy, że wymyśliłeś coś, co działa pod ciśnieniem, powiedzmy, 10 razy mniej niż teraz. To otwiera drzwi do nadprzewodzących drutów, innych rzeczy.”
Zapytana, czy spodziewa się zobaczyć w swoim życiu nadprzewodnika o temperaturze pokojowej i ciśnieniu pokojowym, entuzjastycznie skinęła głową.
„Na pewno - powiedziała.
