211service.com
Rekordet för supraledning vid hög temperatur har slagits igen
Supraledning är det konstiga fenomenet noll elektriskt motstånd som uppstår när vissa material kyls under en kritisk temperatur. De bästa supraledarna måste kylas med flytande helium eller kväve för att bli tillräckligt kalla (ofta så låga som -250 °C eller -480 F) för att fungera. Den heliga gralen för forskare är idén att ett material skulle kunna göras för att supraledning vid cirka 0 °C – så kallad rumstemperatursupraledning. Om något sådant någonsin upptäcktes skulle det släppa lös ett brett utbud av ny teknik, inklusive supersnabba datorer och dataöverföring.
Historien om supraledning är full av tvivelaktiga påståenden om högtemperaturaktivitet som senare visar sig vara omöjliga att reproducera. Faktum är att fysiker har ett namn för detta: USOs, eller oidentifierade supraledande objekt.
Så nya påståenden om supraledning vid hög temperatur måste behandlas med försiktighet. Med det sagt är nyheten idag om att rekordet för högtemperatursupraledning har slagits värda att titta närmare på.
Arbetet kommer från labbet av Mikhail Eremets och kollegor vid Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland. Eremets och hans kollegor säger att de har observerat lantanhydrid (LaH10) supraledande vid den svällande temperaturen på 250 K, eller –23 °C.
Det är varmare än den nuvarande temperaturen på nordpolen. Vår studie gör ett steg framåt på vägen mot rumstemperatursupraledning, säger teamet. (Varningen är att provet måste vara under stort tryck: 170 gigapascal, eller ungefär hälften av trycket i jordens mitt.)
Eremets har en ganska imponerande härstamning på detta område. Långa läsare av denna blogg kommer ihåg när han slog det tidigare rekordet för högtemperatursupraledning redan 2014 . Vid det tillfället kunde hans team mäta supraledande aktivitet i vätesulfid vid –80 °C, cirka 10 grader varmare än något annat material. Senare höjde han det till –70 °C och publicerade verket i Nature till enormt bifall.
Men den överraskande överraskningen för fysiker var det supraledande materialets natur.
Supraledning är välkänd i konventionella supraledare, som är stela gitter av positiva joner som badar i ett hav av elektroner. Elektriskt motstånd uppstår när elektroner som rör sig genom gittret bromsas ned genom att stöta in i det, medan supraledning uppstår när gittret kyls ned till en punkt där det blir tillräckligt stelt för att mekaniska ljudvågor, eller fononer, ska skvalpa genom det. Dessa vågor deformerar gallret när de färdas. Och elektroner kan surfa på denna deformation.
Faktum är att vid låg temperatur binder elektronerna till varandra och bildar så kallade Cooper-par. Och det är dessa Cooper-par som surfar genom gallret som utgör supraledning.
När temperaturen ökar bryter Cooper-paren isär och supraledningsförmågan upphör. Denna förändring sker vid vad som kallas den kritiska temperaturen.
Före 2014 var den högsta kritiska temperaturen för denna typ av supraledning cirka 40 K eller –230 °C. Faktum är att många fysiker trodde att det var omöjligt för denna typ av supraledning att fungera vid högre temperaturer.
Det är därför Eremets tillkännagivande var så extraordinärt - vätesulfid är en konventionell supraledare som beter sig på ett sätt som många trodde var omöjligt.
(1986 upptäckte fysiker en helt annan form av supraledning i keramiska material vid 180 K eller –90 °C. Detta är fortfarande inte väl förstått, och få framsteg har gjorts när det gäller att öka temperaturen.)
Eremets upptäckt utlöste en febrig anfall av teoretisk aktivitet för att förklara hur supraledning uppstår. Konsensus är att i svavelväte bildar vätejoner ett gitter som transporterar Cooper-par med noll motstånd när temperaturen sjunker under en kritisk nivå.
Detta kan hända vid hög temperatur eftersom väte är så lätt. Det betyder att gallret kan vibrera i hög hastighet och därför vid hög temperatur. Men gallret måste också hållas stadigt på plats för att förhindra att vibrationerna sliter isär det. Det är därför supraledningsförmågan bara fungerar vid högt tryck.
Sedan dess har det förekommit avsevärt teoretiskt och beräkningsarbete för att förutsäga andra material som kan supraledning på detta sätt vid hög temperatur. En av de troliga kandidaterna har varit lantanhydrid, den som Eremets och co har arbetat med.
Upptäckten att den är supraledande vid 250 K är en seger inte bara för Eremets och hans team utan också för de teoretiska metoder som förutspådde det. Detta språng, med ~50 K, från det tidigare rekordet på 203 K indikerar den verkliga möjligheten att uppnå rumstemperatursupraledning (det vill säga vid 273 K) inom en snar framtid vid höga tryck, säger Eremets och co.
Det återstår dock en del arbete. Fysiker kräver tre separata bevis för att vara övertygade om att supraledning faktiskt äger rum. Den första är det karakteristiska fallet i motstånd när temperaturen sjunker. Eremets har detta.
Den andra handlar om att ersätta elementen i provet med tyngre isotoper. Detta gör att gallret vibrerar i en annan takt och ändrar den kritiska temperaturen därefter. Eremets och co har också detta bevis, efter att ha ersatt vätet i sina prover med deuterium och sett den kritiska temperaturen sjunka till 168 K, precis som förväntat.
Den tredje bevissträngen kallas Meissner-effekten: en supraledare ska driva ut alla magnetiska fält. Det är här som Eremets och co har kämpat. Deras prover är så små - bara några mikrometer tvärs över och sitter inuti högtrycksdiamantstädceller - att forskarna ännu inte har kunnat mäta detta direkt, även om de har några andra magnetiska bevis.
Utan denna sista signatur kan fysiker hålla tillbaka sin fulla omfamning. Men det är säkert något laget jobbar hårt för att få fram.
Under tiden öppnar arbetet upp för några uppenbara andra vägar att fortsätta. Beräkningsmodellerna tyder på att yttriumsuperhydrider skulle kunna supraleda vid temperaturer över 300 K – verkligen rumstemperatur (även om endast vid tryck som är vanligare i jordens mitt).
Så rumstemperatursupraledare av en eller annan form kanske inte alls är långt borta. Frågan blir då hur man bäst utnyttjar dem.
Ref: arxiv.org/abs/1812.01561 : Supraledning vid 250 K i lantanhydrid under högt tryck