211service.com
Rekorden for superledning ved høy temperatur er knust igjen
Superledning er det rare fenomenet med null elektrisk motstand som oppstår når noen materialer avkjøles under en kritisk temperatur. De beste superlederne må avkjøles med flytende helium eller nitrogen for å bli kalde nok (ofte så lavt som -250 °C eller -480 F) til å fungere. Den hellige gral for forskere er ideen om at et materiale kan lages for å superlede ved rundt 0 °C – såkalt romtemperatursuperledning. Hvis noe slikt noen gang ble oppdaget, ville det slippe løs en lang rekke nye teknologier, inkludert superraske datamaskiner og dataoverføring.
Historien om superledning er full av tvilsomme påstander om høytemperaturaktivitet som senere viser seg å være umulig å reprodusere. Faktisk har fysikere et navn for dette: USOs, eller uidentifiserte superledende objekter.
Så nye påstander om høy-temperatur superledning må behandles med forsiktighet. Når det er sagt, er nyheten i dag om at rekorden for høytemperatursuperledning er knust, verdt å se nærmere på.
Arbeidet kommer fra laboratoriet til Mikhail Eremets og kolleger ved Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland. Eremets og kollegene hans sier at de har observert lantanhydrid (LaH10) som er superledende ved den sveltende temperaturen på 250 K, eller –23 °C.
Det er varmere enn den nåværende temperaturen på Nordpolen. Vår studie gjør et sprang fremover på veien til romtemperatur superledning, sier teamet. (Forbeholdet er at prøven må være under stort trykk: 170 gigapascal, eller omtrent halvparten av trykket i midten av jorden.)
Eremets har en ganske imponerende stamtavle på dette feltet. Lenge lesere av denne bloggen vil huske da han knuste den forrige rekorden for høytemperatursuperledning tilbake i 2014 . Ved den anledningen var teamet hans i stand til å måle superledende aktivitet i hydrogensulfid ved -80 °C, rundt 10 grader varmere enn noe annet materiale. Senere hevet han det til -70 °C og publiserte verket i Nature til stor anerkjennelse.
Men den kjeve overraskelsen for fysikere var det superledende materialets natur.
Superledning er godt forstått i konvensjonelle superledere, som er stive gitter av positive ioner badet i et hav av elektroner. Elektrisk motstand oppstår når elektroner som beveger seg gjennom gitteret bremses ned ved å støte inn i det, mens superledning oppstår når gitteret avkjøles til et punkt hvor det blir stivt nok til at mekaniske lydbølger, eller fononer, kan kruse gjennom det. Disse bølgene deformerer gitteret når de beveger seg. Og elektroner kan surfe på denne deformasjonen.
Faktisk, ved lav temperatur binder elektronene seg til hverandre for å danne såkalte Cooper-par. Og det er disse Cooper-parene som surfer gjennom gitteret som utgjør superledning.
Når temperaturen øker, bryter Cooper-parene fra hverandre og superledningsevnen stopper. Denne endringen skjer ved det som kalles den kritiske temperaturen.
Før 2014 var den høyeste kritiske temperaturen for denne typen superledning omtrent 40 K eller –230 °C. Faktisk trodde mange fysikere at det var umulig for denne typen superledning å fungere ved høyere temperaturer.
Det er derfor Eremets kunngjøring var så ekstraordinær - hydrogensulfid er en konvensjonell superleder som oppfører seg på en måte mange trodde var umulig.
(I 1986 oppdaget fysikere en helt annen form for superledning i keramiske materialer ved 180 K eller –90 °C. Dette er fortsatt ikke godt forstått, og det er gjort lite fremskritt med å øke temperaturen.)
Eremets oppdagelse utløste en febrilsk anfall av teoretisk aktivitet for å forklare hvordan superledning oppstår. Konsensus er at i hydrogensulfid danner hydrogenioner et gitter som transporterer Cooper-par med null motstand når temperaturen faller under et kritisk nivå.
Dette kan skje ved høy temperatur fordi hydrogen er så lett. Det betyr at gitteret kan vibrere ved høy hastighet og derfor ved høy temperatur. Men gitteret må også holdes godt på plass, for å hindre at vibrasjonene river det fra hverandre. Det er derfor superledningsevnen bare fungerer ved høyt trykk.
Siden den gang har det vært betydelig teoretisk og beregningsmessig arbeid for å forutsi andre materialer som kan superlede på denne måten ved høy temperatur. En av de sannsynlige kandidatene har vært lantanhydrid, den som Eremets og co har jobbet med.
Oppdagelsen av at den superleder ved 250 K er en seier ikke bare for Eremets og teamet hans, men også for de teoretiske metodene som forutså det. Dette spranget, med ~ 50 K, fra den forrige rekorden på 203 K indikerer den reelle muligheten for å oppnå romtemperatur superledning (det vil si ved 273 K) i nær fremtid ved høye trykk, sier Eremets og co.
Det gjenstår imidlertid fortsatt noe arbeid. Fysikere krever tre separate bevis for å være overbevist om at superledning faktisk finner sted. Den første er det karakteristiske fallet i motstand når temperaturen faller. Eremets har dette.
Den andre innebærer å erstatte elementene i prøven med tyngre isotoper. Dette får gitteret til å vibrere med en annen hastighet og endrer den kritiske temperaturen tilsvarende. Eremets og co har også dette beviset, etter å ha erstattet hydrogenet i prøvene sine med deuterium og sett den kritiske temperaturen falle til 168 K, akkurat som forventet.
Den tredje bevisstrengen kalles Meissner-effekten: en superleder skal utvise ethvert magnetfelt. Det er her Eremets og co har slitt. Prøvene deres er så små - bare noen få mikrometer på tvers og sitter inne i høytrykksdiamantamboltceller - at forskerne ennå ikke har vært i stand til å måle dette direkte, selv om de har andre magnetiske bevis.
Uten denne endelige signaturen kan fysikere holde tilbake sin fulle omfavnelse. Men det er sikkert noe teamet jobber hardt for å produsere.
I mellomtiden åpner arbeidet opp for noen åpenbare andre veier å forfølge. Beregningsmodellene antyder at yttrium-superhydrider kan superledes ved temperaturer over 300 K - virkelig romtemperatur (selv om det bare er ved trykk som oftere finnes i midten av jorden).
Så romtemperatur-superledere av en eller annen form er kanskje ikke langt unna i det hele tatt. Spørsmålet blir da hvordan man best kan utnytte dem.
Ref: arxiv.org/abs/1812.01561 : Superledning ved 250 K i lantanhydrid under høye trykk