Waterstof gedraagt ​​zich (zoals velen van ons) raar onder druk. De theorie voorspelt dat dit lichte, overvloedige, normaal gasvormige element, wanneer het wordt verpletterd door het gewicht van meer dan een miljoen keer onze atmosfeer, eerst een metaal wordt, en nog vreemder, een supergeleider – een materiaal dat elektriciteit zonder weerstand geleidt.

Wetenschappers wilden graag supergeleidende waterstofrijke verbindingen, hydriden genaamd, begrijpen en uiteindelijk benutten voor praktische toepassingen – van zwevende treinen tot deeltjesdetectoren. Maar het bestuderen van het gedrag van deze en andere materialen onder enorme, aanhoudende druk is allesbehalve praktisch, en het nauwkeurig meten van dat gedrag varieert van een nachtmerrie tot onmogelijk.

Net als de rekenmachine deed voor rekenen, en ChatGPT voor het schrijven van essays van vijf alinea's, denken Harvard-onderzoekers dat ze een fundamenteel hulpmiddel hebben voor het netelige probleem van het meten en in beeld brengen van het gedrag van hydride-supergeleiders bij hoge druk.

Publiceren in Natuur rapporteren ze hoe kwantumsensoren op creatieve wijze zijn geïntegreerd in een standaard drukopwekkend apparaat, waardoor directe uitlezingen van de elektrische en magnetische eigenschappen van het onder druk staande materiaal mogelijk zijn.

De innovatie kwam voort uit een langdurige samenwerking tussen hoogleraar natuurkunde Norman Yao Ph.D., en professor aan de Universiteit van Boston en voormalig postdoctoraal onderzoeker aan Harvard Christopher Laumann, die samen enkele jaren geleden hun theoristische achtergrond verlieten voor de praktische overwegingen van hogedrukmetingen.

De standaardmanier om hydriden onder extreme druk te bestuderen is met een instrument dat een diamanten aambeeldcel wordt genoemd en dat een kleine hoeveelheid materiaal tussen twee briljant geslepen diamantgrensvlakken perst.

Om te detecteren wanneer een monster voldoende is verpletterd om supergeleidend te worden, zoeken natuurkundigen doorgaans naar een dubbele signatuur:een daling van de elektrische weerstand tot nul, evenals de afstoting van elk nabijgelegen magnetisch veld, ook wel het Meissner-effect genoemd. (Dit is de reden waarom een ​​keramische supergeleider, wanneer hij wordt afgekoeld met vloeibare stikstof, boven een magneet zweeft).

Het probleem ligt in het vastleggen van die details. Om de vereiste druk uit te oefenen, moet het monster op zijn plaats worden gehouden door een pakking die het knijpen gelijkmatig verdeelt, en vervolgens in een kamer worden opgesloten. Dit maakt het moeilijk om te 'zien' wat er binnenin gebeurt, dus natuurkundigen hebben oplossingen moeten gebruiken waarbij meerdere monsters betrokken zijn om verschillende effecten afzonderlijk te meten.

"Het gebied van supergeleidende hydriden is een beetje controversieel, deels omdat de meettechnieken bij hoge druk zo beperkt zijn", aldus Yao.

"Het probleem is dat je niet zomaar een sensor of een sonde erin kunt steken, omdat alles afgesloten is en onder zeer hoge druk staat. Dat maakt het extreem moeilijk om toegang te krijgen tot lokale stukjes informatie vanuit de kamer. Als gevolg daarvan heeft niemand echt waargenomen de dubbele signatuur van supergeleiding in één enkel monster."

Om dit probleem op te lossen, ontwierpen en testten de onderzoekers een slimme retrofit:ze integreerden een dunne laag sensoren, gemaakt van natuurlijk voorkomende defecten in het atoomkristalrooster van de diamant, rechtstreeks op het oppervlak van het diamanten aambeeld. Ze gebruikten deze effectieve kwantumsensoren, stikstofvacancycentra genoemd, om gebieden in de kamer in beeld te brengen terwijl het monster onder druk staat en het supergeleidende gebied binnengaat.

Om hun concept te bewijzen, werkten ze met ceriumhydride, een materiaal waarvan bekend is dat het een supergeleider wordt bij ongeveer een miljoen atmosfeer druk, of wat natuurkundigen het megabar-regime noemen.

Het nieuwe instrument zou het veld kunnen helpen, niet alleen door de ontdekking van nieuwe supergeleidende hydriden mogelijk te maken, maar ook door gemakkelijker toegang te bieden tot die felbegeerde eigenschappen in bestaande materialen, voor verder onderzoek.

"Je kunt je voorstellen dat, omdat je nu iets aan het maken bent in een diamanten aambeeldcel, en je meteen kunt zien dat 'dit gebied nu supergeleidend is, dit gebied niet', je je synthese zou kunnen optimaliseren en met een manier om veel betere monsters te maken", aldus Laumann.

Meer informatie: Norman Yao, Het Meissner-effect in beeld brengen in hydride-supergeleiders met behulp van kwantumsensoren, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07026-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Harvard University