Onderzoekers hebben een metaallegering ontdekt die elektriciteit kan geleiden zonder weerstand, of supergeleiding, van omgevingsdruk tot drukken vergelijkbaar met die in de buurt van het centrum van de aarde. Het materiaal, die waarschijnlijk de eerste is die dit soort robuuste supergeleiding vertoont, wordt beschreven in een paper van 12 december, 2017, editie van de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Het materiaal maakt deel uit van een nieuwe familie van metaallegeringen die bekend staat als legeringen met hoge entropie (HEA's), die zijn samengesteld uit willekeurige mengsels op atomaire schaal van elementen uit het blok "overgangsmetalen" op het periodiek systeem. HEA's zijn op meerdere manieren interessant, inclusief structureel. Ze hebben eenvoudige kristalstructuren, maar de metalen zijn willekeurig gerangschikt op de roosterpunten, waardoor elke legering de eigenschappen heeft van zowel een glas als een kristallijn materiaal.

De HEA die in dit werk is bestudeerd, is uniek omdat het continu supergeleidend kan zijn van lage naar hoge druk - zelfs wanneer het wordt blootgesteld aan druk die vergelijkbaar is met die in het buitenste gebied van de kern van onze planeet. Deze ontdekking werd gedaan door een groep wetenschappers van het Institute of Physics van de Chinese Academy of Sciences en de Chemistry Department van Princeton University. De HEA die ze bestudeerden, bestaat uit de metalen tantaal (Ta), niobium (Nb), hafnium (Hf), zirkonium (Zr), en titaan (Ti).

"We hebben waargenomen dat deze HEA in een toestand van nul elektrische weerstand blijft, van één bar druk tot de druk van de buitenste kern van de aarde, zonder structurele veranderingen, " zei een van de senior onderzoekers van de studie, Professor Liling Sun van het Institute of Physics in Peking, tot Phys.org .

Robert Cava, de Russell Wellman Moore hoogleraar scheikunde aan Princeton, een andere senior auteur, toegevoegd, "Dit is opmerkelijk - we kennen geen ander soortgelijk materiaal - en het maakt deze HEA een veelbelovende kandidaat voor nieuwe toepassingen van supergeleiders onder extreme omstandigheden."

Druk is een van de externe variabelen die onverwachte eigenschappen in een materiaal aan het licht kunnen brengen. Bij supergeleiders, bijvoorbeeld, de toepassing van druk heeft kritische temperaturen veranderd (de temperatuur waaronder een materiaal supergeleidend zal zijn) en supergeleiding geïnduceerd in materialen die het fenomeen anders niet zouden vertonen.

Hier, de groep oefende druk uit op de HEA met behulp van een diamanten aambeeldcel, een apparaat dat de gepolijste vlakken van twee diamanten - een van de hardste materialen op aarde - gebruikt om een ​​monster tussen hen in te persen. Om voldoende hoge druk te genereren om de metingen op de HEA uit te voeren, de grootte van de culet van elke diamant - de "punt" aan de onderkant van de edelsteen - was 40 micron (miljoensten van een meter), dat is ongeveer de helft van de diameter van een mensenhaar.

Om de mogelijke structurele veranderingen te volgen terwijl het monster zich in de diamanten aambeeldcel bevond, de groep gebruikte op synchrotron gebaseerde röntgendiffractie (XRD) in de Shanghai Synchrotron Radiation Facility. XRD stelt onderzoekers in staat om structurele informatie te verkrijgen over een kristallijn monster op basis van het patroon dat de röntgenstralen maken nadat ze wegbuigen van de atomen in het monster. Ze combineerden deze technieken met complementaire metingen van weerstand en magnetoweerstand om de supergeleiding te karakteriseren.

De resultaten laten zien dat de HEA zijn basiskristalstructuur behoudt, ondanks dat het volume van het monster aanzienlijk wordt gecomprimeerd (door één meting, toen de druk ongeveer 96 GPa was, het volume was met ongeveer 28 procent verminderd).

Zon, cava, en hun collega's schrijven het unieke gedrag en de stabiliteit van het materiaal toe aan de sterke kristalstructuur, gecombineerd met de schijnbaar robuuste aard van zijn elektronische structuur wanneer deze wordt onderworpen aan een zeer grote hoeveelheid roostercompressie.

© 2018 Fys.org