Wetenschappers hebben nieuwe supergeleidende verbindingen gemaakt van waterstof en praseodymium, een zeldzaam aardmetaal, één stof is nogal een verrassing vanuit het perspectief van de klassieke scheikunde. De studie hielp bij het vinden van de optimale metalen voor supergeleiders bij kamertemperatuur. De resultaten zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Een theorie die zich in de afgelopen 15 jaar heeft ontwikkeld, gaat ervan uit dat waterstofverbindingen (hydriden) uitstekende supergeleiders kunnen maken - dat wil zeggen, stoffen die bij afkoeling tot een bepaalde temperatuur geen elektrische weerstand hebben en die elektriciteit kunnen transporteren zonder enig verlies, wat vooral waardevol is voor stroomnetwerken. Echter, het knelpunt dat wetenschappers nog steeds proberen uit te werken, is de temperatuur waarbij een stof supergeleiding bereikt. Voor de meeste verbindingen is het erg laag, dus supergeleiders die in het echte leven worden gebruikt, worden meestal gekoeld met vloeibaar helium met behulp van complexe en dure apparatuur. Natuurkundigen zijn druk op zoek naar een stof die bij kamertemperatuur supergeleiding bereikt. Een van de waarschijnlijke kandidaten is metallische waterstof, maar de druk die nodig is om het te produceren overschrijdt 4 miljoen atmosfeer!

Een groep Russische wetenschappers van Skoltech en Chinese onderzoekers van Jilin University publiceerden samen met de eerste auteurs Dmitry Semenok en Di Zhou een paper met hun onderzoeksresultaten. Hun team creëerde verbindingen van waterstof en praseodymium, een metaal uit de lanthanide-serie, en bestudeerden hun fysieke eigenschappen. De auteurs synthetiseerden verschillende verbindingen met verschillende verhoudingen van atomen voor elk element. Om dit te doen, ze plaatsten praseodymium- en waterstofmonsters in een speciale kamer waar ze tussen twee kegelvormige diamanten werden geperst, zodat de druk toenam tot 40 GPa, en werden met een laser verwarmd.

De elementen werden gecomprimeerd en reageerden om de verbinding PrH3 te vormen. Het nadeel is dat diamanten de neiging hebben om te kwetsbaar te worden en te breken wanneer ze in contact komen met waterstof. De wetenschappers vervingen vervolgens pure waterstof door ammoniumboraan, een verbinding die een grote hoeveelheid waterstof bevat die gemakkelijk vrijkomt bij verhitting en reactie met praseodymium. De onderzoekers vonden deze methode effectiever en bleven deze gebruiken in verdere experimenten. Door de druk te verhogen, ze kregen PrH9. Eerder, ze hadden verbindingen van waterstof en lanthaan gesynthetiseerd, een ander metaal uit dezelfde serie, dezelfde techniek gebruiken. De moleculen die ze hebben verkregen, zijn speciaal omdat ze een "outlaw" zijn in de klassieke chemie, omdat ze zich niet aan de regels houden. Hoewel de elektronische structuur van het praseodymium-atoom zodanig is dat het zich niet kan binden met veel andere atomen, het bestaan ​​van dergelijke "onjuiste" verbindingen kan worden voorspeld door complexe kwantumberekeningen en bewezen door experimenten.

Ook, de wetenschappers onderzochten de supergeleiding van de nieuwe stoffen door elektrische weerstand te meten bij verschillende temperaturen en drukken en ontdekten dat praseodymiumhydride supergeleidend wordt bij -264 °C, die veel lager is in vergelijking met LaH10, hoewel de twee verbindingen zowel chemisch als structureel vergelijkbaar zijn. De auteurs onderzochten de redenen voor het verschil in kenmerken door hun resultaten te vergelijken met andere onderzoeken en ontdekten dat de positie van het metaal in het periodiek systeem en zijn eigenschappen een cruciale rol spelen. Het bleek dat praseodymium-atomen fungeren als donoren voor elektronen:in tegenstelling tot hun buren, lanthaan en cerium, ze dragen kleine magnetische momenten die supergeleiding onderdrukken die nog steeds kan optreden, hoewel bij lagere temperaturen.

"We hebben de methode toegepast die eerder werd gebruikt om lanthaanhydriden te synthetiseren en zijn erin geslaagd nieuwe supergeleidende metallische praseodymiumhydriden te creëren. We hebben twee hoofdconclusies getrokken. Ten eerste:je kunt abnormale verbindingen krijgen met composities die niets met valentie te maken hebben; dat is, het aantal bindingen dat een atoom kan hebben met andere atomen. Tweede, we hebben het nieuwe principe voor het maken van supergeleiders gevalideerd. We vonden dat de metalen uit de "labiliteitszone" tussen groep II en III van het periodiek systeem de beste kandidaten zijn. De elementen die het dichtst bij de "labiliteitszone" liggen, zijn lanthaan en cerium. Vooruit gaan, we gaan van deze bevinding uit om nieuwe supergeleiders voor hoge temperaturen te verkrijgen, " zeiden Skoltech en MIPT-professor, Artem Oganov.