Μετά από δεκαετίες, επιτεύχθηκε υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου
Εκπληρώνοντας μια αναζήτηση δεκαετιών, αυτή την εβδομάδα ερευνητές αναφέρουν τη δημιουργία του πρώτου υπεραγωγού που δεν χρειάζεται να ψύχεται για να εξαφανιστεί η ηλεκτρική του αντίσταση. Υπάρχει μια σύλληψη:Ο νέος υπεραγωγός θερμοκρασίας δωματίου λειτουργεί μόνο σε πίεση ισοδύναμη με περίπου τα τρία τέταρτα αυτής στο κέντρο της Γης. Αλλά εάν οι ερευνητές μπορέσουν να σταθεροποιήσουν το υλικό σε πίεση περιβάλλοντος, οι ονειρεμένες εφαρμογές της υπεραγωγιμότητας θα μπορούσαν να είναι προσιτές, όπως καλώδια ρεύματος χαμηλών απωλειών και εξαιρετικά ισχυροί υπεραγώγιμοι μαγνήτες που δεν χρειάζονται ψύξη, για μηχανές MRI και τρένα maglev.
«Αυτό είναι ένα ορόσημο», λέει ο Chris Pickard, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. Αλλά οι ακραίες συνθήκες του πειράματος σημαίνουν ότι, παρόλο που ήταν "αρκετά θεαματικό", λέει ο Brian Maple, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, "αυτό σίγουρα δεν θα είναι χρήσιμο για την κατασκευή μιας συσκευής."
Η ανακοίνωση, από μια ομάδα με επικεφαλής τον φυσικό Ράνγκα Ντίας του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ, κορυφώνει μια μακρά πορεία προς το θερμόμετρο. Η υπεραγωγιμότητα ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1911 από τον Ολλανδό φυσικό Heike Kamerlingh Onnes σε ένα σύρμα υδραργύρου παγωμένο στους 4,2° πάνω από το απόλυτο μηδέν, ή 4,2 K. Το 1957, οι φυσικοί John Bardeen, Leon Cooper και Robert Schrieffer εξήγησαν το φαινόμενο:Η "θεωρία BCS" τους. πρότεινε ότι ένα ηλεκτρόνιο που διέρχεται από έναν υπεραγωγό παραμορφώνει προσωρινά τη δομή του υλικού, τραβώντας ένα άλλο ηλεκτρόνιο πίσω στο πέρασμά του χωρίς αντίσταση.
Το 1986, ένα ζευγάρι φυσικών ανακάλυψε ότι σε διαφορετικά υλικά, τα κεραμικά από οξείδιο του χαλκού, η υπεραγωγιμότητα βρίσκεται σε υψηλότερη "κρίσιμη θερμοκρασία" ή Tc , από 30 Κ. Άλλες ομάδες μαγείρεψαν γρήγορα σχετικές κεραμικές συνταγές. μέχρι το 1994, ώθησαν το Tc έως 164 K σε οξείδιο του χαλκού με βάση τον υδράργυρο υπό πίεση. Τα ηλεκτρόνια συνδυάζονται επίσης σε υπεραγωγούς ρυθμού φλυτζανιού, αλλά ο τρόπος με τον οποίο υπεραγωγούνται παραμένει ασαφής.
Το 1968, ο Neil Ashcroft, ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο Cornell, είχε προτείνει ένα διαφορετικό είδος υλικού που θα πρέπει να εμφανίζει υπεραγωγιμότητα BCS πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου:υδρογόνο υπό έντονη πίεση. Πολλές ομάδες έχουν ισχυριστεί ότι παράγουν τέτοιο μεταλλικό υδρογόνο, χρησιμοποιώντας διαμαντένιες κυψέλες άκμονα, συσκευές μεγέθους παλάμης στις οποίες μια ουσία στόχος συνθλίβεται σε τεράστια πίεση μεταξύ των άκρων δύο διαμαντιών. Αλλά τα αποτελέσματα παραμένουν αμφιλεγόμενα, εν μέρει επειδή οι πιέσεις -που ξεπερνούν αυτές στο κέντρο της Γης- είναι τόσο υψηλές που συνήθως σπάνε τα διαμάντια. Το 2004, ο Ashcroft πρότεινε ότι η δέσμευση του υδρογόνου σε ένα άλλο στοιχείο θα μπορούσε να προσθέσει ένα είδος "χημικής προσυμπίεσης" που θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή την υπεραγωγιμότητα υψηλότερης θερμοκρασίας σε χαμηλότερες πιέσεις.
Η στρατηγική λειτούργησε. Το 2015, ερευνητές με επικεφαλής τον Mikhail Eremets στο Ινστιτούτο Χημείας Max Planck ανέφεραν στο Nature ότι ανακάλυψαν την υπεραγωγιμότητα στα 203 K στο H3 Το S συμπιέζεται στα 155 gigapascals (GPa), περισσότερο από 1 εκατομμύριο φορές την ατμοσφαιρική πίεση της Γης. Τα επόμενα 3 χρόνια, ο Eremets και άλλοι ενίσχυσαν το Tc έως και 250 K σε ενώσεις πλούσιες σε υδρογόνο που περιέχουν λανθάνιο. Αλλά απελευθερώστε την πίεση και όλες αυτές οι ενώσεις αποσυντίθενται.
Ο Ντίας και οι συνάδελφοί του σκέφτηκαν ότι μπορούσαν να πιέσουν το Tc ανεβαίνει ακόμα πιο ψηλά προσθέτοντας ένα τρίτο στοιχείο:τον άνθρακα, ο οποίος σχηματίζει ισχυρούς δεσμούς με γειτονικά άτομα. «Πετούσαμε στα τυφλά», λέει το μέλος της ομάδας Ashkan Salamat, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Νεβάδα, στο Λας Βέγκας.
Φόρτωσαν το διαμαντένιο άκμονα τους με μικροσκοπικά στερεά σωματίδια άνθρακα και θείου αλεσμένα μαζί και στη συνέχεια διοχέτευσαν τρία αέρια:υδρογόνο, υδρόθειο και μεθάνιο. Στη συνέχεια έριξαν ένα πράσινο λέιζερ μέσα από το διαμάντι, προκαλώντας μια χημική αντίδραση που μετέτρεψε το μείγμα σε διαφανείς κρυστάλλους.
Όταν στη συνέχεια ανέβασαν την πίεση στα 148 GPa και έλεγξαν την αγωγιμότητα του δείγματος μέσω ηλεκτρικών καλωδίων, διαπίστωσαν ότι οι κρύσταλλοι έγιναν υπεραγώγιμοι στους 147 K. Αυξάνοντας την πίεση στα 267 GPa, η ομάδα έφτασε σε Tc 287 K, η θερμοκρασία ενός ψυχρού δωματίου ή μιας ιδανικής κάβας. Οι μετρήσεις μαγνητικού πεδίου έδειξαν επίσης ότι το δείγμα είχε γίνει υπεραγώγιμο, αναφέρουν ο Ντίας και οι συνεργάτες του αυτήν την εβδομάδα στο Nature .
«Τα αποτελέσματα φαίνονται πιστευτά», λέει ο Eremets. Σημειώνει, ωστόσο, ότι η ομάδα του Ρότσεστερ δεν έχει ακόμη καταφέρει να προσδιορίσει την ακριβή δομή της ένωσης που είναι υπεραγώγιμη. Οι ερευνητές θα ξεκινήσουν σύντομα να εργαστούν πάνω σε αυτό το ερώτημα και πιθανότατα θα αρχίσουν επίσης να αντικαθιστούν άλλα στοιχεία σε μείγματα τριών συστατικών με βάση το υδρογόνο με την ελπίδα για υπεραγωγούς ακόμη υψηλότερης θερμοκρασίας. "Αυτό είναι το επόμενο πράγμα που θα κάνουν όλοι", λέει η Eva Zurek, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Μπάφαλο.
Ο απώτερος στόχος, προσθέτει ο Eremets, είναι να βρεθεί ένας υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου που να είναι σταθερός όταν απελευθερώνεται η πίεση. Εάν οι ερευνητές το καταφέρουν, τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να αλλάξουν την καθημερινή ζωή. Ο Ντίας λέει:«Νομίζω ότι αυτό είναι πραγματικά δυνατό». Αλλά η θεωρία δεν προτείνει ακόμη έναν τρόπο να λειτουργήσουν υλικά με βάση το υδρογόνο σε περιβαλλοντικές πιέσεις. Ο Zurek προσθέτει, "Δεν έχουμε απαραίτητα ξεκάθαρο μονοπάτι προς τα εμπρός."
