De zoektocht naar felbegeerde supergeleiders voor hoge temperaturen wordt gemakkelijker met een nieuwe 'wet binnen een wet' die is ontdekt door Skoltech- en MIPT-onderzoekers en hun collega's, die een verband ontdekte tussen de positie van een element in het periodiek systeem en zijn potentieel om een ​​supergeleidend hydride bij hoge temperatuur te vormen. Het nieuwe artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Huidige opinie in Solid State &Materials Science . Het onderzoek werd ondersteund door de Russian Science Foundation.

Supergeleidende materialen, zonder weerstand en dus geen dissipatie van energie naar warmte, zou zeer nuttig zijn voor onze elektronica en elektriciteitsnetten. Supergeleidende magneten worden al gebruikt in de MRI-machine in uw plaatselijke ziekenhuis en in deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider bij CERN.

Op dit moment zijn er twee manieren om tot supergeleiding te komen, beide aan de extremen:zeer lage temperaturen of zeer hoge drukken. Enkele van de "warmste" supergeleiders van de eerste soort, kopjes, nog afgekoeld moeten worden tot ongeveer 100 K (-173 °C), wat ver verwijderd is van normale omstandigheden. Er zijn voorspellingen dat metallische waterstof bij bijna kamertemperatuur supergeleidende eigenschappen kan vertonen; de vangst is in de vereiste druk, dat is meer dan 4 miljoen atmosfeer, bijna aan de grens van onze technische mogelijkheden.

Daarom kijken wetenschappers naar hydriden, verbindingen van waterstof en een ander element, en het is aangetoond dat ze werken als supergeleiders bij relatief hoge temperaturen en lagere drukken. Het huidige record van tot min 23 graden Celsius werd vorig jaar getoond voor LaH ₁₀ , lanthaandecahydride, onder een druk van 170 gigapascal, of 1,7 miljoen atmosfeer. Hoewel de druk nog te hoog is om praktisch gebruik mogelijk te maken, onderzoek naar supergeleidende hydriden heeft al belangrijke implicaties voor andere klassen van supergeleiders, die bij normale druk en temperatuur zou kunnen functioneren.

Skoltech Ph.D. student Dmitrii Semenok en Skoltech en MIPT Professor Artem R. Oganov hebben samen met hun collega's een regel gevonden waarmee de maximale supergeleidende kritische temperatuur kan worden voorspeld, maxT _C , voor een metaalhydride alleen gebaseerd op de elektronische structuur van metaalatomen. Dit betekent dat de zoektocht naar nieuwe supergeleidende hydriden gemakkelijker zal worden.

"Het verband tussen supergeleiding en het periodiek systeem was aanvankelijk een raadsel. We zijn nog steeds niet helemaal zeker over de oorsprong ervan, maar we denken dat het komt omdat elementen op de grens tussen s- en p- of s- en d-elementen (ongeveer tussen de 2e en 3e groep van de tabel) een elektronische structuur hebben die ongewoon gevoelig is voor het kristalveld, en dit is perfect voor de elektron-fonon koppeling, wat de oorzaak is van supergeleiding in hydriden, " zei Artem R. Oganov, een co-auteur van het werk.

Naast het ontdekken van een kwalitatieve regel, ze hebben ook een neuraal netwerk getraind om maxT . te voorspellen _C voor verbindingen waarvoor geen experimentele of theoretische gegevens beschikbaar waren. Voor sommige elementen is eerder gepubliceerde gegevens over Tc van hydriden leken af ​​te wijken van regulier gedrag. De onderzoekers gingen vervolgens op zoek naar deze gegevens met behulp van USPEX, het evolutionaire algoritme ontwikkeld door Oganov en zijn studenten voor het voorspellen van thermodynamisch stabiele hydriden van deze elementen.

"Voor elementen waar de gepubliceerde waarden van maxTc (gebaseerd op de ontdekte regel) te laag of te hoog waren, de groep voerde systematische zoekopdrachten uit naar stabiele hydriden. Hun nieuwe gegevens bevestigden de ontdekte regel en leverden nieuwe hydriden op voor magnesium (Mg), strontium (sr), barium (Ba), cesium (Cs) en rubidium (Rb). Bijvoorbeeld, een voorspeld strontiumhexahydride, SrH ₆ , heeft een maxT _C van 189 K (min 84 graden C) bij 100 GPa, terwijl BaH ₁₂ , een theoretische bariumsuperhydride, kan een relatief hoge maxT . hebben _C tot 214 K (min 59 graden C), " zei Alexander Kvashnin, Skoltech en MIPT senior onderzoekswetenschapper en co-auteur van het onderzoek.

Eerder in 2019, Oganov en zijn collega's uit Rusland, de VS en China synthetiseerden ceriumsuperhydride CeH ₉ , die supergeleidende eigenschappen heeft bij 100-110 K en bij een (relatief) lage druk van 120 GPa. Een andere supergeleider ontdekt door de onderzoeksgroep (Dmitry Semenok, Ivan Trojan, Alexander Kvashnin, Artem R. Oganov, en hun collega's), thoriumhydride ThH10, heeft een hoge kritische temperatuur van 161 K.

"Nutsvoorzieningen, met behulp van de nieuw ontdekte regel en het neurale netwerk kunnen we ons concentreren op complexere verbindingen die nog veelbelovender zijn in onze zoektocht naar supergeleiding bij kamertemperatuur - ternaire superhydriden die twee elementen en waterstof bevatten. We hebben al een aantal hydriden voorspeld die LaH . kunnen evenaren of overtreffen ₁₀ , " zei de eerste auteur van het werk, Dmitri Semenok.