Το βρωμερό υδρόθειο σπάει το ρεκόρ υπεραγωγιμότητας
Το υδρόθειο - το υλικό που κάνει τα σάπια αυγά να βρωμάνε - γίνεται υπεραγωγός σε υψηλή θερμοκρασία ρεκόρ, έχουν δείξει φυσικοί στη Γερμανία. Όταν στερεοποιηθεί, η ένωση άγει ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση στους 203,5 Κ. Αυτό είναι ακόμα κρύο—περίπου 70°C κάτω από το σημείο πήξης του νερού. Αλλά είναι πολύ υψηλότερο από οτιδήποτε έχει επιτευχθεί ποτέ πριν και ένα μεγάλο βήμα πιο κοντά στον υψηλό στόχο της επίτευξης υπεραγωγιμότητας σε θερμοκρασία δωματίου. Ο προκαταρκτικός ισχυρισμός της ομάδας κυκλοφορούσε για περισσότερο από ένα χρόνο, αλλά νέα δεδομένα κλείνουν την υπόθεση, λέει ο Michael Norman, θεωρητικός στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στο Lemont του Ιλινόις. "Είναι η πραγματική συμφωνία."
Το αποτέλεσμα μπορεί να αναζωογονήσει τα οράματα υπεραγωγών που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου και μαγνητικά αιωρούμενα τρένα. Αλλά υπάρχει μια σύλληψη:Το υδρόθειο κάνει τα μαγικά του μόνο όταν συμπιέζεται σε περισσότερο από 1 εκατομμύριο φορές την ατμοσφαιρική πίεση, περίπου το ένα τρίτο της πίεσης στον πυρήνα της Γης. Αυτή η συνθήκη το καθιστά μη πρακτικό για τις περισσότερες εφαρμογές. «Πού πάει από εδώ;» ρωτά τον Igor Mazin, θεωρητικό στο Ναυτικό Ερευνητικό Εργαστήριο των ΗΠΑ στην Ουάσιγκτον, DC. «Μάλλον πουθενά». Ακόμα κι έτσι, η ανακάλυψη ήδη αλλάζει την πορεία της έρευνας στην υπεραγωγιμότητα.
Οι επιστήμονες γνωρίζουν μερικά είδη υπεραγωγιμότητας. Στη λεγόμενη συμβατική υπεραγωγιμότητα, ένα μέταλλο όπως το νιόβιο μεταφέρει ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση όταν ψύχεται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, ή 0 K. Το μέταλλο αποτελείται από μια συστοιχία σε σχήμα κλωβού θετικά φορτισμένων ιόντων μέσω των οποίων ρέουν τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια χάνουν συνήθως ενέργεια καθώς εκτρέπονται από τα ιόντα που κροταλίζουν. Αλλά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν. Η εκτροπή ενός ηλεκτρονίου στη συνέχεια απαιτεί τη διάσπαση ενός ζεύγους. Καθώς δεν υπάρχει αρκετή ενέργεια για να γίνει αυτό, τα ζευγάρια ρέουν ελεύθερα.
Αλλά κάτι πρέπει να συγκρατεί τα ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια μαζί. Σε έναν συμβατικό υπεραγωγό, αυτή η κόλλα παρέχεται από δονήσεις του πλέγματος ιόντων που ονομάζονται φωνόνια. Τα φωνόνια διατηρούνται τόσο ισχυρά, οπότε η θερμοκρασία ρεκόρ για έναν συνηθισμένο υπεραγωγό ήταν 39 K (ή –234,5°C) χρησιμοποιώντας την ένωση διβορίδιο του μαγνησίου.
Ωστόσο, στη δεκαετία του 1980 οι φυσικοί ανακάλυψαν μια οικογένεια «υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας», πολύπλοκες ενώσεις που περιέχουν χαλκό και οξυγόνο που γίνονται υπεραγωγοί σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες, και πριν από μια δεκαετία, βρήκαν μια παρόμοια οικογένεια ενώσεων σιδήρου και αρσενικού. Σε αυτά τα υλικά, οι αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρονίων από μόνες τους φαίνεται να παρέχουν την κόλλα—αν και οι φυσικοί δεν είναι σίγουροι πώς.
Αλλά ακόμη και με αυτές τις ανακαλύψεις, ορισμένοι φυσικοί εξακολουθούσαν να ελπίζουν να επιτύχουν υψηλότερες θερμοκρασίες μετάβασης με συμβατική υπεραγωγιμότητα. Ήδη από τη δεκαετία του 1960, ο Neil Ashcroft, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο Cornell, υποστήριξε ότι σε υψηλές πιέσεις, το στερεό υδρογόνο θα έπρεπε να γίνει ένα υπεραγώγιμο μέταλλο. Σύμφωνα με τον Ashcroft, τα ελαφρά ιόντα υδρογόνου θα τινάζονταν με φωνόνια πολύ υψηλής συχνότητας, το κλειδί για την ενίσχυση της θερμοκρασίας μετάβασης. Για δεκαετίες, οι πειραματιστές έψαχναν για τέτοια υπεραγωγιμότητα πιέζοντας κομμάτια στερεού υδρογόνου ανάμεσα στις άκρες των διαμαντιών.
Ο Alexander Drozdov και ο Mikhail Eremets, φυσικοί στο Ινστιτούτο Χημείας Max Planck στο Μάιντς της Γερμανίας και συνάδελφοι του δοκίμασαν κάτι ελαφρώς διαφορετικό πέρυσι:Έσφιξαν ένα μικροσκοπικό δείγμα υδρόθειου και είδαν την ηλεκτρική του αντίσταση να εξαφανίζεται στους 190 Κ, όπως ανέφεραν στο Δεκεμβρίου στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv.org. Αυτό ξεπέρασε το ρεκόρ των 164 K για έναν υπεραγωγό χαλκού και οξυγόνου συμπιεσμένο σε 350.000 φορές την ατμοσφαιρική πίεση. Μερικοί φυσικοί ήταν δύσπιστοι.
Τώρα, ο Drozdov και ο Eremets έχουν βάλει τέλος στις αμφιβολίες επιδεικνύοντας ένα δεύτερο σημάδι υπεραγωγιμότητας. Όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο, ένας υπεραγωγός θα πρέπει να τον αποβάλλει, καθώς τα ρεύματα ελεύθερης ροής δημιουργούν ένα εσωτερικό πεδίο που ακυρώνει το εφαρμοζόμενο. Ο Drozdov και ο Eremets βλέπουν ακριβώς αυτό το αποτέλεσμα, όπως αναφέρουν διαδικτυακά σήμερα στο Nature . Αυτή η μέτρηση ήταν ένα σημαντικό επίτευγμα, καθώς το δείγμα σε σχήμα δίσκου των πειραματιστών είχε διάμετρο μικρότερη από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας. Οι ερευνητές αναφέρουν τώρα ότι έχουν φτάσει σε θερμοκρασία μετάβασης τόσο υψηλή όσο 203,5 Κ.
Ωστόσο, η υψηλή θερμοκρασία μετάβασης δεν παρουσιάζει μεγάλα μυστήρια. Τον περασμένο Νοέμβριο, οι θεωρητικοί στην Κίνα υπολόγισαν ότι το υδρόθειο υπό πίεση θα έπρεπε να γίνει υπεραγωγός με θερμοκρασία μετάπτωσης μεταξύ 191 K και 204 K—συγκεκριμένα ως H2 Το S διασπάται και παράγει H3 S, που κάνει την υπεραγωγιμότητα. «Ήμασταν τυχεροί γιατί αυτό το μοντέλο άρχισε αμέσως να εξηγεί τα αποτελέσματά μας», λέει ο Eremets. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι, όπως είχε προβλεφθεί, το υλικό είναι ένας συμβατικός υπεραγωγός. Όταν οι ερευνητές αντικατέστησαν τα ελαφρύτερα άτομα υδρογόνου με βαρύτερα άτομα δευτερίου (υδρογόνο με νετρόνιο στον πυρήνα του), η θερμοκρασία μετάβασης μειώθηκε κατά περίπου 20%—όπως ακριβώς αναμενόταν εάν τα φωνόνια παρέχουν την κόλλα.
Είναι πραγματικά απαραίτητη η απίστευτη πίεση για αυτό το είδος υπεραγωγιμότητας; Ίσως όχι, λέει ο Eremets. Η πίεση χρησιμεύει μόνο για να μετατρέψει το υδρόθειο σε μέταλλο, λέει. Έτσι, μπορεί να είναι δυνατό να ξεκινήσουμε με μια ένωση που οι επιστήμονες μπορούν να μετατρέψουν σε μέταλλο τροποποιώντας τη σύνθεσή της. Ο Mazin είναι λιγότερο αισιόδοξος. «Είναι δύσκολο να συλλάβουμε πώς θα μπορούσαν να επιτευχθούν αυτές οι συνθήκες υπό πίεση περιβάλλοντος», λέει.
Αλλά αντί να απαλλαγεί από την πίεση, ο Norman προβλέπει ότι οι ερευνητές θα κάνουν το αντίθετο και θα αναζητήσουν νέους υπεραγωγούς πιέζοντας άλλους μονωτές. «Τον τελευταίο χρόνο αυτό είναι το μεγάλο αποτέλεσμα», λέει. "Έχει ήδη αντίκτυπο στην κοινότητα."
*Διόρθωση, 23 Σεπτεμβρίου, 5:54 μ.μ.:Η ιστορία έχει αλλάξει για να διορθωθεί η πίεση στην οποία εμφανίζεται η υπεραγωγιμότητα στο υδρόθειο και, στη λεζάντα, για να διορθωθεί η περιγραφή του πειράματος στη φωτογραφία.>
