Het comprimeren van eenvoudige moleculaire vaste stoffen met waterstof bij extreem hoge drukken, Ingenieurs en natuurkundigen van de Universiteit van Rochester hebben, Voor de eerste keer, gemaakt materiaal dat supergeleidend is bij kamertemperatuur.

Uitgelicht als het omslagverhaal in het tijdschrift Natuur , het werk werd uitgevoerd door het laboratorium van Ranga Dias, een assistent-professor natuurkunde en werktuigbouwkunde.

Dias zegt dat het ontwikkelen van supergeleidende materialen - zonder elektrische weerstand en uitdrijving van magnetisch veld bij kamertemperatuur - de 'heilige graal' is van de fysica van de gecondenseerde materie. Al meer dan een eeuw gezocht, dergelijke materialen "kunnen de wereld zoals we die kennen zeker veranderen, ' zegt Dias.

Bij het vestigen van het nieuwe record, Dias en zijn onderzoeksteam combineerden waterstof met koolstof en zwavel om fotochemisch eenvoudig organisch afgeleid koolstofhoudend zwavelhydride te synthetiseren in een diamanten aambeeldcel, een onderzoeksapparaat dat wordt gebruikt om minuscule hoeveelheden materialen onder buitengewoon hoge druk te onderzoeken.

Het koolstofhoudende zwavelhydride vertoonde supergeleiding bij ongeveer 58 graden Fahrenheit en een druk van ongeveer 39 miljoen psi. Dit is de eerste keer dat supergeleidend materiaal is waargenomen bij kamertemperatuur.

"Vanwege de limieten van lage temperaturen, materialen met zulke buitengewone eigenschappen hebben de wereld niet helemaal getransformeerd op de manier die velen zich hadden voorgesteld. Echter, onze ontdekking zal deze barrières doorbreken en de deur openen naar vele mogelijke toepassingen, " zegt Dias, die ook is aangesloten bij de programma's Materials Science en High Energy Density Physics van de universiteit.

Toepassingen zijn onder meer:

• Elektriciteitsnetten die elektriciteit transporteren zonder het verlies van maximaal 200 miljoen megawattuur (MWh) van de energie die nu ontstaat door weerstand in de draden.
• Een nieuwe manier om zwevende treinen en andere vormen van transport voort te stuwen.
• Medische beeldvorming en scantechnieken zoals MRI en magnetocardiografie
• sneller, efficiëntere elektronica voor digitale logica en geheugenapparaattechnologie.

"We leven in een halfgeleidersamenleving, en met dit soort technologie, je kunt de samenleving naar een supergeleidende samenleving brengen waar je nooit meer dingen als batterijen nodig hebt, " zegt Ashkan Salamat van de Universiteit van Nevada Las Vegas, een co-auteur van de ontdekking.

De hoeveelheid supergeleidend materiaal die door de diamanten aambeeldcellen wordt gecreëerd, wordt gemeten in picoliter, ongeveer de grootte van een enkel inkjetdeeltje.

De volgende uitdaging, Dias zegt, is manieren aan het vinden om supergeleidende materialen op kamertemperatuur te maken bij lagere drukken, zodat ze economisch in grotere hoeveelheden kunnen worden geproduceerd. In vergelijking met de miljoenen ponden druk gecreëerd in diamanten aambeeldcellen, de atmosferische druk van de aarde op zeeniveau is ongeveer 15 PSI.

Waarom kamertemperatuur belangrijk is

Voor het eerst ontdekt in 1911, supergeleiding geeft materialen twee belangrijke eigenschappen. Elektrische weerstand verdwijnt. En elke schijn van een magnetisch veld wordt verdreven, vanwege een fenomeen dat het Meissner-effect wordt genoemd. De magnetische veldlijnen moeten om het supergeleidende materiaal heen lopen, het mogelijk maken om dergelijke materialen te laten zweven, iets dat kan worden gebruikt voor wrijvingsloze hogesnelheidstreinen, zogenaamde maglev-treinen.

Krachtige supergeleidende elektromagneten zijn al kritische componenten van maglav-treinen, magnetische resonantie beeldvorming (MRI) en nucleaire magnetische resonantie (NMR) machines, deeltjesversnellers en andere geavanceerde technologieën, inclusief vroege kwantumsupercomputers.

Maar de supergeleidende materialen die in de apparaten worden gebruikt, werken meestal alleen bij extreem lage temperaturen - lager dan alle natuurlijke temperaturen op aarde. Deze beperking maakt ze duur om te onderhouden en te duur om uit te breiden naar andere potentiële toepassingen. "De kosten om deze materialen bij cryogene temperaturen te houden zijn zo hoog dat je er niet echt het volle profijt van kunt hebben. ' zegt Dias.

Eerder, de hoogste temperatuur voor een supergeleidend materiaal werd vorig jaar bereikt in het laboratorium van Mikhail Eremets aan het Max Planck Instituut voor Chemie in Mainz, Duitsland, en de Russell Hemley-groep aan de Universiteit van Illinois in Chicago. Dat team rapporteerde supergeleiding bij -10 tot 8 graden Fahrenheit met behulp van lanthaansuperhydride.

Onderzoekers hebben de afgelopen jaren ook koperoxiden en op ijzer gebaseerde chemicaliën onderzocht als potentiële kandidaten voor supergeleiders bij hoge temperaturen. Echter, waterstof - het meest voorkomende element in het universum - biedt ook een veelbelovende bouwsteen.

"Om een ​​supergeleider op hoge temperatuur te hebben, je wilt sterkere banden en lichte elementen. Dat zijn de twee zeer fundamentele criteria, "zegt Dias. "Waterstof is het lichtste materiaal, en de waterstofbrug is een van de sterkste.

"Van vaste metallische waterstof wordt getheoretiseerd dat het een hoge Debye-temperatuur en een sterke elektron-fononkoppeling heeft die nodig is voor supergeleiding bij kamertemperatuur, ' zegt Dias.

Echter, er zijn buitengewoon hoge drukken nodig om pure waterstof in een metallische toestand te krijgen, die voor het eerst werd bereikt in een laboratorium in 2017 door professor Isaac Silvera en Dias van Harvard University, daarna een postdoc in Silvera's lab.

Een 'paradigmaverschuiving'

En dus, Dias's lab in Rochester heeft een "paradigmaverschuiving" in zijn benadering nagestreefd, als alternatief gebruiken, waterstofrijke materialen die de ongrijpbare supergeleidende fase van zuivere waterstof nabootsen, en kan bij veel lagere drukken worden gemetalliseerd.

Eerst combineerde het lab yttrium en waterstof. Het resulterende yttriumsuperhydride vertoonde supergeleiding bij wat toen een recordhoge temperatuur was van ongeveer 12 graden Fahrenheit en een druk van ongeveer 26 miljoen pond per vierkante inch.

Vervolgens onderzocht het lab covalente waterstofrijke, organisch afgeleide materialen.

Dit werk resulteerde in het koolstofhoudende zwavelhydride. "Deze aanwezigheid van koolstof is hier van enorm belang, ", rapporteren de onderzoekers. Verdere "compositionele afstemming" van deze combinatie van elementen kan de sleutel zijn tot het bereiken van supergeleiding bij nog hogere temperaturen, ze voegen toe.