In een reeks experimenten met lanthaansuperhydride met onzuiverheden hebben onderzoekers van Skoltech, Lebedev Physical Institute of RAS en hun collega's uit de Verenigde Staten, Duitsland en Japan het mechanisme vastgesteld achter de supergeleiding bij de hoogste temperatuur in polyhydriden die tot nu toe zijn waargenomen. Gerapporteerd in Geavanceerde materialen , maakt de ontdekking de weg vrij voor toekomstige studies naar materialen die elektriciteit geleiden zonder weerstand bij of dichtbij kamertemperatuur. Die zouden handig zijn voor supergeleidende elektronica en kwantumcomputers, magneetzweeftreinen, MRI-machines, deeltjesversnellers en misschien zelfs kernsplijtingsreactoren en verliesloze hoogspanningslijnen, als je van dat soort dingen houdt.

Als het niet de heilige graal van de materiaalwetenschap is, behoren supergeleiders bij kamertemperatuur zeker tot de meest gewilde materialen met technologische toepassingen. Indien ontdekt, zou een dergelijk materiaal monster-elektromagneten mogelijk maken die kunnen worden gebruikt in instrumenten voor fundamenteel onderzoek, zoals ultraprecieze magnetische sensoren en deeltjesversnellers die de Large Hadron Collider nietig zouden doen lijken, evenals in medische technologie (betere MRI-scanners), magnetische levitatietreinen, miniatuurmotoren en generatoren en gadgets met een langere levensduur van de batterij. Een van de meer futuristische toepassingen zijn langeafstandstransmissielijnen die elektriciteit bijna zonder verliezen zouden leveren.

Theoretisch zou zuivere waterstof de beste supergeleider bij hoge temperaturen moeten zijn, op voorwaarde dat je er hard genoeg in kunt knijpen om er een metaal van te maken. Maar dat is op zijn zachtst gezegd een hele uitdaging. Dus in plaats daarvan onderzoeken wetenschappers verbindingen die naast veel waterstof extra elementen bevatten. Op die manier offeren ze een deel van de temperatuur op om de druk te brengen die nodig is om het supergeleidende materiaal te stabiliseren en in het rijk te brengen van wat technologisch mogelijk is.

"Op dit moment lanthaansuperhydride LaH₁₀ is de grootste kanshebber in deze supergeleiderrace, met een kritieke temperatuur van min 23 graden Celsius," merkte de hoofdonderzoeker van het onderzoek, Skoltech Professor Artem R. Oganov, op. "Dit is zeer indrukwekkend, maar om nog hoger te gaan, moesten we eerst begrijpen hoe supergeleiding in dit materiaal werkt. Nu doen we dat."

Er zijn meerdere mechanismen die elektrische geleidbaarheid mogelijk maken zonder weerstand. De ene die het best wordt begrepen, wordt conventionele fonon-gemedieerde supergeleiding genoemd. Het ontstaat door elektroneninteracties met kristalroosteroscillaties. De gevestigde theorie van conventionele supergeleiding kan worden gebruikt om lanthaansuperhydride te verbeteren, misschien door een cruciaal derde element te introduceren om een ​​nieuwe verbinding van waterstof en twee andere goed gekozen elementen te creëren.

"Het probleem was dat er tot nu toe geen model van ternaire supergeleidende systemen bestond om erachter te komen in hoeverre we de supergeleidende eigenschappen van polyhydriden kunnen verbeteren. Er was dus behoorlijk wat onzekerheid die de voortgang in de zoektocht naar nabije ruimte belemmerde en verdoezelde -temperatuur supergeleiding. We hebben de weg vrijgemaakt door deze onzekerheid weg te nemen," zei Oganov.

Zijn team stelde gedrag van supergeleiding in lanthaansuperhydride vast op basis van de algemeen aanvaarde stelling van Anderson. Het stelt dat conventionele supergeleiders - en alleen zij - hun eigenschappen behouden wanneer een niet-magnetische onzuiverheid wordt geïntroduceerd, maar lijden aan een verlaging van de kritische temperatuur van supergeleiding wanneer ze worden gedoteerd met magnetische onzuiverheden.

"Na in een eerdere publicatie te hebben bevestigd dat de toevoeging van yttrium, dat niet-magnetisch is, geen invloed heeft op de kritische temperatuur van supergeleiding in LaH₁₀ , hebben we dit materiaal in plaats daarvan gedoteerd met het magnetische neodymium. En ja hoor, hoe meer neodymium-atomen werden toegevoegd, hoe meer deze supergeleiding onderdrukte, en uiteindelijk vernietigde het met een gehalte van ongeveer 15 tot 20 atoomprocent Nd", zegt Dmitrii Semenok, een doctoraatsstudent aan Skoltech en hoofdauteur van het onderzoek. .

Volgens de onderzoekers hebben we nu een beter begrip van hoe onzuiverheden de supergeleiding in hydriden beïnvloeden en kunnen we de eigenschappen van veel van dergelijke ternaire hydridesystemen voorspellen. Het team zal vertrouwen op de vastgestelde conclusies om nieuwe drie-elementen waterstofrijke verbindingen te voorspellen, synthetiseren en testen, hopelijk een verbetering van lanthaansuperhydride door de kritische temperatuur te verhogen, de synthesedruk te verlagen, of beide.

Onderzoek naar afwijkende hydrideverbindingen heeft veel bijgedragen aan ons begrip van en het wegnemen van misvattingen over supergeleiding. Veel van dit onderzoek heeft gebruik gemaakt van USPEX, een computerprogramma ontwikkeld door Oganov om de grotendeels contra-intuïtieve verbindingen te voorspellen die bij zeer hoge drukken bestaan. + Verder verkennen

Nieuwe ternaire hydriden van lanthaan en yttrium voegen zich bij de hoge-temperatuur supergeleiders