Évtizedeken át, a tudósok a szobahőmérsékletű szupravezetők után kutattak. Most, hogy végre megtalálták, a vadászat folytatódik az egyre jobb anyagok után.

Azáltal, hogy a hidrogén (ezüst) vékony palládiumrétegen (rózsaszín) keresztül diffundál az itriumba (kék), és az anyagot nagy nyomásnak teszik ki, kialakul a szupravezetés magas hőmérsékleten. - Kép: Dean Smith

Egészen 2020-ig az összes ismert szupravezető - anyagok, melyek ellenállás nélkül vezetik az elektromosságot - csak hűtött állapotban tettek szert tulajdonságaikra, egyesek ráadásul csak extrém hűtés következtében, így lényegében használhatatlanok a legtöbb elektromos eszközben. 2020-ban Ranga Dias fizikus, és munkatársai bejelentettek egy szén, kén és hidrogén vegyületet, mely képes volt a szupravezetésre szobahőmérsékleten (SN: 10/14/20) - bővebben itt olvasható. A hűtés megszűnésével előjött egy másik kellemetlen tényező: az anyag csak nagy nyomás hatására képes a szupravezetésre: csupán 267 gigapascal szükséges - ez több mint a földi nyomás kétmilliószorosa.

Most, a tudósok olyan stratégián törik a fejüket, amivel enyhíthetnek a nyomáson, vagy akár földi szintre tudják csökkenteni. "Mi ezt akarjuk a legjobban" - mondta Dias, a New York-i Rochesteri Egyetem munkatársa.

Egy szobahőmérsékleten és földi nyomáson működő szupravezető széles körben integrálható lenne elektronikus eszközökben, lehetővé téve a számítógépek továbbfejlesztését, a lebegő vonatok fejlesztését és nem utolsó sorban rengeteg energiát takarítanánk meg.

De hogy találhatunk olyan szupravezetőket, melyek közel szobahőmérsékleten működnek és nincs szükségük hatalmas nyomásra? "Szerintem ez most a legnagyobb kérdés a területen" - mondta Lilia Boeri, a római Sapienza Egyetem fizikusa március 16-án az Amerikai Fizikai Társaság online találkozóján.

Szupravezetők keresése

Ahhoz, hogy megtaláljuk a következő szupravezetőt, nagy segítség lehet, ha tudjuk, hogy merre keressük. A tudósok számítógépek segítségével számításokat végeznek, hogy elméletben meghatározzák a lehetséges anyag szerkezetét és tulajdonságait, és az eredmények szerint célzottan indítsák el a keresést - magyarázta Zurek Eva elméleti vegyész március 16-án az ülésen. Ez a stratégia korábban már kifizetődő volt. "Az elmélet nagyon fontos szerepet játszott, bizonyos esetekben előre megjósolta ezeket a struktúrákat, mielőtt azok elkészültek volna." - mondta Zurek, a New York-i Buffalo Egyetem munkatársa. Például az ilyen előrejelzések vezették a kutatókat olyan lantán- és hidrogénvegyülethez, amelyről 2018-ban kiderült, hogy képes a szupravezetésre az akkori rekordmagasnak számító körülbelül –13 ° C-os hőmérsékleten (SN: 9/10/18).

Most az előrejelzések az ittriumból és a hidrogénből készült szupravezetőkhöz vezették a tudósokat - jelentette Dias március 18-án az APS ülésén, a Zurekkel együttműködve végzett munkában. A nagyjából -11° C-on szupravezetésre képes ittrium-hidrogén szupravezető egy, a legmagasabb hőfokon működő ismert szupravezetők közül. Míg Dias szén-, kén- és hidrogén szupravezetője továbbra is a hőmérsékletrekorder, az új anyag lényegesen alacsonyabb nyomást igényel - bár a 182 gigapascal még mindig nem egy könnyed szorongatás. Dias és Zurek is beszámoltak eredményeikről március 19-én a Physical Review Letters-ben.

A magas hőmérsékletű rekordok listáját hidrogénben gazdag szupravezetők uralják. A tiszta hidrogén várhatóan préseléssel fémmé válik, amelyből szobahőmérsékletű szupravezető lehet (SN: 8/10/16). De ez a fémes hidrogén olyan extrém nyomást igényel, amelyet nehéznek bizonyult létrehozni. Egy másik elem, például lantán vagy ittrium hozzáadásával a tudósok olyan szupravezetőket hoztak létre, amelyek hasonlóan működnek, mint a fémes hidrogén, de alacsonyabb nyomáson.

Az elméleti számítások már feltárták az hidrogén és más elemek kombinációját, melyek feltehetően képesek a szupravezetésre. A következő lépcsőfok a számításában két elem kombinációja hidrogénnel, mint például a szén-kén-hidrogén vegyület, melyet Dias kísérletileg talált. De ez egy újabb kihíváshoz vezet: túl sok a lehetséges elempárok száma a választáshoz. "A lehetséges kombinációk száma csak bele fog robbanni az arcunkba" - mondta Zurek. Azonban egy tanulmány már sugallja, hogy ez technika sikeres lehet a nyomás csökkentésében.

Új anyagok tanulmányozása

A lantán, a bór és a hidrogén kombinációja szupravezető lehet alacsonyabb nyomáson - jelentette Boeri és munkatársai az ülésen és az arXiv.org-on február 22-én közzétett cikkben. A kémiai szerkezet hasonló a 2018-as lantánból és hidrogénből készült szupravezető szerkezetéhez, ahol hidrogénatomok rácsa veszi körül a lantánatomot. Az új vegyületben a bóratomok további üres helyet töltenek be a rács körül. Ez extra kémiai nyomást biztosít Boeri szerint, ami azt jelenti, hogy ha az anyagot a laboratóriumban hozzák létre, akkor is meg tudja őrizni szupravezetőképességét, ha a külső nyomás olyan alacsony, mint 40 gigapascal. A becsült szükséges hőmérséklet alacsonyabb, nagyjából –147 ° C, de ez még mindig viszonylag meleg a legtöbb szupravezetőhöz képest.

"Valójában meglepett minket, hogy ez így fog működni" - mondta Boeri. Normális esetben a vegyészek azt várják, hogy a bór kötéseket alakít ki a hidrogénnel, ahelyett, hogy egyszerűen a hidrogén-rácsba záródna. De a kémia nyomás alatt felrúgja a szokásos szabályokat.

Ezért olyan fontosak a számítások a szupravezetők keresésében - mondta Zurek. Az új anyagok nyomás alatt történő keresésének számítási módszerei olyan struktúrákat találhatnak, amelyeket a normál intuíció, a környezeti nyomáson lévő kémia alapján, nem gondoltunk volna. A kémiai szerkezetek adatbázisai nem tartalmazzák ezeket az anyagokat, "kémiai képzeletünk nem is álmodhatott volna róluk, mielőtt megtaláltuk őket a számítógépen" - mondta.

Beszélgetés közben Dias elhintette a csoportja által talált másik új anyagra vonatkozó célzásokat, amelyek szobahőmérsékleten és lényegesen alacsonyabb nyomáson, 20 gigapascal körül már szupravezetők. De egy függőben lévő szabadalmi bejelentés miatt még nem beszélhet róla.

A tudósok lelkesek a szupravezetők kutatásának új fejleményei iránt. "Ez a legizgalmasabb dolog, ami a tudomány jelen pillanatában zajlik" - mondta Graeme Ackland fizikus, az Edinburgh-i Egyetem munkatársa, aki az ülés egyik értekezletét vezette.

Dias egy olyan jövőt képzel el, ahol a hardverboltok eladói azt kérdezik majd: „Szupravezető, vagy normál vezetékeket akarsz?” - mondta, majd hozzátette: "Azt akarjuk, hogy elérjük ezt a szintet."