Rumstemperatur supraledning har uppnåtts för första gången

Utrustning som används för att skapa en supraledare i rumstemperatur, inklusive en diamantstädcell (blå ruta) och lasermatriser, är avbildad i University of Rochesters labb i Ranga Dias. Adam fönster

Rumstemperatursupraledare - material som leder elektricitet med noll motstånd utan att behöva speciell kylning - är den sortens tekniska mirakel som skulle rubba vardagen. De skulle kunna revolutionera elnätet och möjliggöra svävande tåg, bland många andra potentiella tillämpningar. Men fram till nu har supraledare behövt kylas till extremt låga temperaturer, vilket har begränsat dem att använda som en nischteknik (om än en viktig sådan). I decennier verkade det som rumstemperatur supraledning kan vara utom räckhåll för alltid , men under de senaste fem åren har några forskargrupper runt om i världen varit engagerade i en kapplöpning för att uppnå det i labbet.

En av dem vann precis.

I en tidning publicerad idag i Nature , rapporterar forskare att de uppnår rumstemperatursupraledning i en förening som innehåller väte, svavel och kol vid temperaturer så höga som 58 °F (13,3 °C eller 287,7 K). Den tidigare högsta temperaturen hade varit 260 K, eller 8 °F, uppnådd av en rivaliserande grupp vid George Washington University och Carnegie Institution i Washington, DC, 2018. (En annan grupp vid Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland, uppnådde 250 K, eller -9,7 °F, ungefär vid samma tidpunkt.) Liksom de tidigare rekorden uppnåddes det nya rekordet under extremt höga tryck – ungefär två och en halv miljon gånger större än luften vi andas.

Det är ett landmärke, säger José Flores-Livas, en beräkningsfysiker vid Sapienza-universitetet i Rom, som skapar modeller som förklarar supraledning vid hög temperatur och som inte var direkt involverad i arbetet. Om ett par år, säger han, gick vi från 200 [K] till 250 och nu 290. Jag är ganska säker på att vi kommer att nå 300.

Elektriska strömmar är strömmande elektriska laddningar, oftast uppbyggda av elektroner. Ledare som koppartrådar har massor av löst bundna elektroner. När ett elektriskt fält appliceras flyter dessa elektroner relativt fritt. Men även bra ledare som koppar har motstånd: de värms upp när de bär elektricitet.

Superledning – där elektroner strömmar genom ett material utan motstånd – låter omöjligt vid första rodnad. Det är som om man skulle kunna köra i hög hastighet genom en överbelastad stadskärna och aldrig träffa ett trafikljus. Men 1911 fann den holländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes att kvicksilver blir en supraledare när det kyls ned till ett par grader över absolut noll (cirka -460 °F, eller -273 °C). Han observerade snart fenomenet i andra metaller som tenn och bly.

Under många decennier efteråt skapades supraledning endast vid extremt låga temperaturer. Sedan, i slutet av 1986 och början av 1987, fann en grupp forskare vid IBM:s Zürich-laboratorium att vissa keramiska oxider kan vara supraledare vid temperaturer så höga som 92 K – avgörande över koktemperaturen för flytande kväve, som är 77 K. Detta omvandlades studiet av supraledning, och dess tillämpningar i saker som sjukhus MRI, eftersom flytande kväve är billigt och lätt att hantera. (Flytande helium, även om det är kallare, är mycket mer petig och dyrare .) Det enorma språnget på 1980-talet ledde till febriga spekulationer om att supraledning i rumstemperatur skulle vara möjlig. Men den drömmen hade visat sig svårfångad fram till forskningen som rapporterades idag.

Under press

Ett sätt som supraledare fungerar på är när elektronerna som strömmar genom dem är kopplade till fononer - vibrationer i atomnätet som materialet är gjort av. Det faktum att de två är synka, tror teoretiker, tillåter elektroner att flöda utan motstånd. Låga temperaturer kan skapa förutsättningar för att sådana par kan bildas i en mängd olika material. 1968 hävdade Neil Ashcroft, från Cornell University, att under högt tryck, väte skulle också vara en supraledare . Genom att tvinga atomer att packas tätt tillsammans förändrar höga tryck hur elektroner beter sig och, under vissa omständigheter, gör det möjligt för elektron-fononpar att bildas.

Forskare har i decennier försökt förstå exakt vad dessa omständigheter är och att ta reda på vilka andra element som kan blandas med väte för att uppnå supraledning vid progressivt högre temperaturer och lägre tryck.

I arbetet som rapporteras i dagens tidning blandade forskare från University of Rochester och kollegor först kol och svavel i ett ett-till-ett-förhållande, malde blandningen till små kulor och klämde sedan ihop kulorna mellan två diamanter medan de injicerade vätgas . En laser lyste på föreningen i flera timmar för att bryta ned bindningar mellan svavelatomerna, vilket förändrade systemets kemi och elektronernas beteende i provet. Den resulterande kristallen är inte stabil vid låga tryck - men den är supraledande. Den är också mycket liten — under de höga tryck som den supraleder vid är den cirka 30 miljondels meter i diameter.

De exakta detaljerna för Varför Detta sammansatta verk är inte helt förstått - forskarna är inte ens säkra på exakt vilken sammansättning de gjorde. Men de utvecklar nya verktyg för att ta reda på vad det är och är optimistiska att när de väl kan göra det kommer de att kunna justera kompositionen så att föreningen kan förbli supraledande även vid lägre tryck.

Att komma ner till 100 gigapascal – ungefär hälften av trycket som används i dagens Nature-tidning – skulle göra det möjligt att börja industrialisera supersmå sensorer med mycket hög upplösning, spekulerar Flores-Livas. Exakta magnetiska sensorer används vid mineralprospektering och även för att upptäcka avfyring av neuroner i den mänskliga hjärnan, samt vid tillverkning av nya material för datalagring. En billig, exakt magnetisk sensor är den typ av teknik som inte låter sexig i sig utan gör många andra möjliga.

Och om dessa material kan skalas upp från små trycksatta kristaller till större storlekar som fungerar inte bara vid rumstemperatur utan också vid omgivande tryck, skulle det vara början på ett ännu mer djupgående tekniskt skifte. Ralph Scheicher, en beräkningsmodellerare vid Uppsala universitet i Sverige, säger att han inte skulle bli förvånad om detta inträffade inom det närmaste decenniet.

Motstånd är meningslöst

De sätt som elektricitet genereras, överförs och distribueras på skulle i grunden förändras av billiga och effektiva supraledare i rumstemperatur som är större än några miljondelar av en meter. Cirka 5% av elen som genereras i USA går förlorad i överföring och distribution , enligt Energiinformationsförvaltningen. Att eliminera denna förlust skulle till att börja med spara miljarder dollar och ha en betydande klimatpåverkan. Men rumstemperatursupraledare skulle inte bara förändra systemet vi har – de skulle möjliggöra ett helt nytt system. Transformatorer, som är avgörande för elnätet, skulle kunna göras mindre, billigare och effektivare. Så också kan elmotorer och generatorer. Supraledande energilagring används för närvarande för att jämna ut kortsiktiga fluktuationer i elnätet, men det är fortfarande relativt nisch eftersom det krävs mycket energi för att hålla supraledare kalla. Rumstemperatursupraledare, särskilt om de kan konstrueras för att motstå starka magnetfält, kan fungera som ett mycket effektivt sätt att lagra större mängder energi under längre perioder , vilket gör förnybara men intermittenta energikällor som vindkraftverk eller solceller mer effektiva.

Och eftersom strömmande elektricitet skapar magnetiska fält, kan supraledare också användas för att skapa kraftfulla magneter för så olika tillämpningar som MRI-maskiner och svävande tåg. Supraledare är också av stor potentiell betydelse inom kvantberäkningens begynnande område. Supraledande kvantbitar är redan grunden för några av världens mest kraftfulla kvantdatorer. Att kunna göra sådana qubits utan att behöva kyla ner dem skulle inte bara göra kvantdatorerna enklare, mindre och billigare, utan skulle kunna leda till snabbare framsteg i att skapa system med många qubits, beroende på de exakta egenskaperna hos de supraledare som skapas .

Alla dessa applikationer är i princip möjliga med supraledare som måste kylas till låga temperaturer för att fungera. Men om du måste kyla dem så radikalt, förlorar du många – i vissa fall alla – av fördelarna du får av bristen på elektriskt motstånd. Det gör dem också mer komplicerade, dyra och benägna att misslyckas.

Det återstår att se om forskare kan ta fram stabila föreningar som är supraledande inte bara vid rumstemperatur utan också vid omgivningstryck. Men forskarna är optimistiska. De avslutar sin uppsats med detta lockande påstående: Ett robust supraledande material i rumstemperatur som kommer att förändra energiekonomin, bearbetning av kvantinformation och avkänning kan vara möjligt.

Dölj