Supraconductorii la temperatura camerei pot funcționa fără presiune extremă?

Timp de decenii, oamenii de știință au căutat un supraconductor la temperatura camerei. Acum că au găsit în sfârșit unul, este în căutarea unui material și mai bun.

Până anul trecut, toți supraconductorii cunoscuți – materiale care conduc electricitatea fără rezistență – trebuiau răciți, mulți la temperaturi extrem de scăzute, făcându-i impracticabili pentru utilizare în majoritatea dispozitivelor electronice. În 2020, fizicianul Ranga Dias și colegii săi au raportat că un compus de carbon, sulf și hidrogen era supraconductor la temperatura camerei (SN: 14/10/2020). Dar nevoia de răcire a fost schimbată cu o altă cerință nepractică: materialul a trebuit să fie zdrobit la 267 gigapascali, de peste 2 milioane de ori presiunea atmosferică a Pământului.

Acum, oamenii de știință elaborează strategii pentru a ușura presiunea, poate chiar scăzând presiunile la nivelurile atmosferice. „Asta este ceea ce vrem cu adevărat să facem”, spune Dias, de la Universitatea Rochester din New York.

Un supraconductor care funcționează la temperatura camerei și presiunea atmosferică ar putea fi integrat într-o mare varietate de dispozitive electronice, permițând calculatoare îmbunătățite și trenuri avansate cu levitare și economisind cantități mari de energie în rețeaua electrică.

Dar cum să găsești supraconductori care funcționează aproape de temperatura camerei și necesită mai puțină presiune? „Cred că aceasta este acum marea întrebare rămasă în domeniu”, a declarat fizicianul Lilia Boeri de la Universitatea Sapienza din Roma, pe 16 martie, la o întâlnire online a Societății Americane de Fizică. În timpul întâlnirii, mai multe grupuri de fizicieni au raportat că au făcut progrese.

Se caută supraconductori

Pentru a găsi următorul mare supraconductor, este de ajutor să știi de unde să începi să vânezi. Oamenii de știință folosesc calcule computerizate pentru a determina teoretic structurile și proprietățile materialelor și pentru a ghida căutarea, a declarat chimistul teoretician Eva Zurek pe 16 martie la întâlnire. Această strategie a dat roade în trecut. „Teoria a jucat un rol foarte important, în unele cazuri prezicând aceste structuri înainte de a fi realizate”, a spus Zurek, de la Universitatea din Buffalo din New York. De exemplu, astfel de predicții i-au condus pe cercetători la un compus de lantan și hidrogen, care s-a descoperit în 2018 a fi supraconductor la temperaturi record de până la aproximativ -13° Celsius (SN: 9/10/18).

Acum, predicțiile i-au îndrumat pe oamenii de știință către supraconductori formați din ytriu și hidrogen, a raportat Dias pe 18 martie, la reuniunea APS, în colaborare cu Zurek. Supraconductor la aproximativ –11° C, supraconductorul de ytriu-hidrogen al lui Dias este unul dintre cei mai mari supraconductori cunoscuți. În timp ce supraconductorul de carbon, sulf și hidrogen al lui Dias este încă deținătorul recordului de temperatură, noul material necesită o presiune semnificativ mai scăzută – deși la 182 gigapascali, nu este încă o strângere simplă. Dias și Zurek și-au raportat, de asemenea, rezultatele pe 19 martie Scrisori de revizuire fizică.

Lista deținătorilor de recorduri la temperaturi înalte este dominată de supraconductori bogati în hidrogen. Este de așteptat ca hidrogenul pur să devină un metal atunci când este stors, unul care ar fi un supraconductor la temperatura camerei (SN: 8/10/16). Dar acel hidrogen metalic necesită presiuni atât de extreme încât s-a dovedit dificil de creat. Prin adăugarea unui alt element, cum ar fi lantanul sau ytriul, oamenii de știință au creat supraconductori care funcționează similar cu hidrogenul metalic evaziv, dar la presiuni mai mici.

Calculele teoretice au explorat acum toate combinațiile de hidrogen și orice alt element unic, căutând supraconductori probabili. Noua frontieră calculează combinații de două elemente cu hidrogen, cum ar fi compusul carbon-sulf-hidrogen pe care Dias l-a găsit experimental. Dar această sarcină reprezintă o provocare suplimentară: prea multe perechi de elemente pentru a alege. „Numărul de combinații posibile va exploda în fețele noastre”, spune Zurek. Cu toate acestea, un studiu a sugerat deja că această tehnică va avea succes în reducerea presiunii.

Studierea materialelor noi

O combinație de lantan, bor și hidrogen poate fi supraconductoare la presiuni mai scăzute, au raportat Boeri și colegii săi la întâlnire și într-o lucrare postată pe 22 februarie pe arXiv.org. Structura chimică este similară cu cea a supraconductorului din 2018 format din lantan și hidrogen, unde o cușcă de atomi de hidrogen înconjoară un atom de lantan. În noul compus, atomii de bor umplu un spațiu gol suplimentar din jurul cuștii. Aceasta oferă o presiune chimică suplimentară, a spus Boeri, ceea ce înseamnă că, dacă materialul ar fi creat în laborator, și-ar putea păstra supraconductivitatea chiar și atunci când presiunea externă este de până la 40 gigapascali. Temperatura estimată necesară este mai mică, la –147 ° C, dar este încă relativ caldă în comparație cu majoritatea supraconductoarelor.

„De fapt, am fost destul de surprinși că va funcționa așa”, spune Boeri. În mod normal, chimiștii s-ar aștepta ca borul să formeze legături cu hidrogenul, mai degrabă decât să acționeze pur și simplu pentru a închide în cușca cu hidrogen. Dar chimia sub presiune încalcă regulile normale.

De aceea calculele sunt atât de importante în căutarea supraconductorilor, spune Zurek. Metodele computaționale de căutare a unor noi materiale sub presiune pot găsi structuri pe care intuiția normală, bazată pe chimia la presiunea ambientală, nu le-ar fi conceput. Bazele de date ale structurilor chimice nu ar include aceste materiale, „și nici imaginația noastră chimică nu ar fi putut visa la ele înainte de a le găsi pe computer”, a spus ea.

În discursul său, Dias a dat indicii despre un alt material nou pe care grupul său a descoperit că este supraconductor la temperatura camerei și o presiune semnificativ mai scăzută, în jur de 20 de gigapascali. Dar nu poate vorbi despre asta încă din cauza unei cereri de brevet în așteptare.

Oamenii de știință sunt entuziasmați de noile evoluții în cercetarea supraconductorilor. „Acesta este cel mai interesant lucru care se întâmplă în acest moment în știință”, a spus fizicianul Graeme Ackland de la Universitatea din Edinburgh, care a moderat una dintre sesiunile de la întâlnire.

Dias își imaginează un viitor în care agenții de vânzări din magazinele de hardware se vor întreba: „‘Vrei un fir supraconductor sau vrei fire normale?’”, a spus el. „Vrem să ajungă la acest nivel.”