Μια ομάδα φυσικών στη Νέα Υόρκη ανακάλυψε ένα υλικό που άγει τον ηλεκτρισμό με τέλεια απόδοση σε θερμοκρασία δωματίου – ένα επιστημονικό ορόσημο που αναζητείται από καιρό. Η ένωση υδρογόνου, άνθρακα και θείου λειτουργεί ως υπεραγωγός έως και 59 βαθμούς Φαρενάιτ, ανέφερε η ομάδα στο Nature. Αυτό είναι περισσότερο από 50 βαθμούς υψηλότερο από το προηγούμενο ρεκόρ υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας, που σημειώθηκε πέρυσι.
«Είναι η πρώτη φορά που μπορούμε πραγματικά να ισχυριστούμε ότι έχει βρεθεί υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου», δήλωσε ο Ion Errea, θεωρητικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο της Χώρας των Βάσκων στην Ισπανία, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία.
«Είναι ξεκάθαρα ένα ορόσημο», δήλωσε ο Chris Pickard, επιστήμονας υλικών στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. «Αυτό είναι ένα ψυχρό δωμάτιο, ίσως ένα βρετανικό βικτοριανό εξοχικό σπίτι», είπε για τη θερμοκρασία των 59 βαθμών Fahrenheit.
Ωστόσο, ενώ οι ερευνητές πανηγυρίζουν για το επίτευγμα, τονίζουν ότι η νέα ένωση -που δημιουργήθηκε από μια ομάδα με επικεφαλής τον Ranga Dias του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ– δεν θα βρει ποτέ το δρόμο της σε γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς απώλειες, τρένα υψηλής ταχύτητας χωρίς τριβές ή οποιαδήποτε από τις επαναστατικές τεχνολογίες που θα μπορούσε να γίνει πανταχού παρόν εάν το εύθραυστο κβαντικό φαινόμενο που κρύβεται πίσω από την υπεραγωγιμότητα μπορούσε να διατηρηθεί σε πραγματικά περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτό συμβαίνει επειδή η ουσία υπεραγώγεται σε θερμοκρασία δωματίου μόνο ενώ συνθλίβεται μεταξύ ενός ζεύγους διαμαντιών σε πιέσεις περίπου 75 τοις εκατό τόσο ακραίες όσο αυτές που βρίσκονται στον πυρήνα της Γης.
«Οι άνθρωποι μιλούσαν για την υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου για πάντα», είπε ο Pickard. «Μπορεί να μην εκτιμούσαν ότι όταν το κάναμε, θα το κάναμε σε τόσο υψηλές πιέσεις».
Οι επιστήμονες υλικών αντιμετωπίζουν τώρα την πρόκληση να ανακαλύψουν έναν υπεραγωγό που λειτουργεί όχι μόνο σε κανονικές θερμοκρασίες αλλά και υπό καθημερινές πιέσεις. Ορισμένα χαρακτηριστικά της νέας ένωσης δημιουργούν ελπίδες ότι κάποια μέρα θα μπορούσε να βρεθεί το σωστό μείγμα ατόμων.
Η ηλεκτρική αντίσταση εμφανίζεται σε κανονικά καλώδια όταν ελεύθερα ρέοντα ηλεκτρόνια προσκρούουν στα άτομα που αποτελούν το μέταλλο. Αλλά οι ερευνητές ανακάλυψαν το 1911 ότι σε χαμηλές θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια μπορούν να προκαλέσουν δονήσεις στο ατομικό πλέγμα ενός μετάλλου και αυτές οι δονήσεις με τη σειρά τους έλκουν τα ηλεκτρόνια μαζί σε ζεύγη γνωστά ως ζεύγη Cooper. Διαφορετικοί κβαντικοί κανόνες διέπουν αυτά τα ζευγάρια, τα οποία ρέουν μαζί σε ένα συνεκτικό σμήνος που διέρχεται από το πλέγμα του μετάλλου ανεμπόδιστα, χωρίς καμία αντίσταση. Το υπεραγώγιμο ρευστό διώχνει επίσης μαγνητικά πεδία – ένα φαινόμενο που θα μπορούσε να επιτρέψει στα μαγνητικά αιωρούμενα οχήματα να επιπλέουν χωρίς τριβές πάνω από υπεραγώγιμες ράγες.
Καθώς η θερμοκρασία ενός υπεραγωγού αυξάνεται, ωστόσο, τα σωματίδια κινούνται τυχαία, διασπώντας τον λεπτό χορό των ηλεκτρονίων.
Οι ερευνητές πέρασαν δεκαετίες αναζητώντας έναν υπεραγωγό του οποίου τα ζεύγη Cooper είναι αρκετά σφιχτά ώστε να αντέχει στη ζέστη των καθημερινών περιβαλλόντων. Το 1968, ο Neil Ashcroft, ένας φυσικός στερεάς κατάστασης στο Πανεπιστήμιο Cornell, πρότεινε ότι ένα πλέγμα ατόμων υδρογόνου θα έκανε το κόλπο. Το μικρότερο μέγεθος του υδρογόνου επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να πλησιάσουν πιο κοντά στους κόμβους του πλέγματος, αυξάνοντας τις αλληλεπιδράσεις τους με τις δονήσεις. Η ελαφρότητα του υδρογόνου επιτρέπει επίσης σε αυτούς τους κυματισμούς που οδηγούν να δονούνται πιο γρήγορα, ενισχύοντας περαιτέρω την κόλλα που δένει τα ζεύγη Cooper.
Απαιτούνται μη πρακτικά υψηλές πιέσεις για τη συμπίεση του υδρογόνου σε ένα μεταλλικό πλέγμα. Ωστόσο, το έργο του Ashcroft δημιούργησε ελπίδες ότι κάποιο “υδρίδιο” – ένα μείγμα υδρογόνου και ένα δεύτερο στοιχείο – θα μπορούσε να προσφέρει την υπεραγωγιμότητα του μεταλλικού υδρογόνου σε πιο προσιτές πιέσεις.
Η πρόοδος απογειώθηκε τη δεκαετία του 2000, όταν οι προσομοιώσεις υπερυπολογιστών επέτρεψαν στους θεωρητικούς να προβλέψουν τις ιδιότητες διαφόρων υδριδίων και η ευρεία χρήση συμπαγών διαμαντιών άκμονων επέτρεψε στους πειραματιστές να πιέσουν τους πιο υποσχόμενους υποψηφίους για να δοκιμάσουν την ικανότητά τους.
Ξαφνικά, οι υδρίτες άρχισαν να κάνουν ρεκόρ. Μια ομάδα στη Γερμανία έδειξε το 2015 ότι μια μεταλλική μορφή υδρόθειου – μια πικάντικη ένωση που βρίσκεται σε σάπια αυγά – υπεραγώγεται στους -94 βαθμούς Φαρενάιτ κάτω από 1,5 εκατομμύριο φορές την πίεση της ατμόσφαιρας. Τέσσερα χρόνια αργότερα, το ίδιο εργαστήριο χρησιμοποίησε υδρίδιο του λανθανίου για να φτάσει στους –10 βαθμούς κάτω από 1,8 εκατομμύρια ατμόσφαιρες, ακόμη και όταν μια άλλη ομάδα βρήκε στοιχεία για υπεραγωγιμότητα στην ίδια ένωση στους 8 βαθμούς.
Το εργαστήριο του Dias στο Ρότσεστερ έχει πλέον καταρρίψει αυτά τα ρεκόρ. Καθοδηγούμενη από τη διαίσθηση και τους πρόχειρους υπολογισμούς, η ομάδα δοκίμασε μια σειρά από ενώσεις υδρογόνου αναζητώντας την αναλογία χρυσαφί του υδρογόνου. Προσθέστε πολύ λίγο υδρογόνο και μια ένωση δεν θα υπεραγώγεται τόσο ισχυρά όσο το μεταλλικό υδρογόνο. Προσθέστε πάρα πολύ, και το δείγμα που θα λειτουργήσει πάρα πολύ σαν μεταλλικό υδρογόνο, μεταλλοποιώντας μόνο σε πιέσεις που θα σπάσουν το διαμαντένιο αμόνι σας. Κατά τη διάρκεια της έρευνάς τους, η ομάδα κατέστρεψε πολλές δεκάδες ζεύγη διαμαντιών αξίας 3.000 δολαρίων. «Αυτό είναι το μεγαλύτερο πρόβλημα με την έρευνά μας, ο προϋπολογισμός με τα διαμάντια», είπε ο Dias.
Η νικητήρια φόρμουλα αποδείχτηκε ένα riff στη φόρμουλα του 2015. Οι ερευνητές ξεκίνησαν με υδρόθειο, πρόσθεσαν μεθάνιο (μια ένωση άνθρακα και υδρογόνου) και έψησαν το παρασκεύασμα με λέιζερ.
«Καταφέραμε να εμπλουτίσουμε το σύστημα και να εισαγάγουμε ακριβώς τη σωστή κρίσιμη ποσότητα υδρογόνου που απαιτείται για να διατηρηθούν αυτά τα ζεύγη Cooper σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες», δήλωσε ο Ashkan Salamat, συνεργάτης του Dias και φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο της Νεβάδα, στο Λας Βέγκας. .
Αλλά οι λεπτές λεπτομέρειες του φίλτρου υδρογόνου-άνθρακα-θείου που έχουν μαγειρέψει τους διαφεύγουν. Το υδρογόνο είναι πολύ μικρό για να εμφανίζεται σε παραδοσιακούς ανιχνευτές δομής πλέγματος, επομένως η ομάδα δεν γνωρίζει πώς είναι διατεταγμένα τα άτομα ή ακόμη και τον ακριβή χημικό τύπο της ουσίας.
Η Eva Zurek, θεωρητική χημικός στο Πανεπιστήμιο του Μπάφαλο, ανήκει σε μια ομάδα θεωρητικών που συνδέονται χαλαρά με το εργαστήριο του Ντίας. Νωρίτερα φέτος, προέβλεψαν τις συνθήκες υπό τις οποίες ένα μέταλλο που θα μπορούσε να σχηματιστεί ανάμεσα στους άκμονες του διαμαντιού θα έπρεπε να υπεραγώγεται και βρήκαν διαφορετική συμπεριφορά. Υποψιάζεται ότι οι υψηλές πιέσεις μετέτρεψαν την ουσία του Dias σε μια άγνωστη μορφή της οποίας η υπεραγωγιμότητα είναι ιδιαίτερα ισχυρή.
Μόλις η ομάδα του Dias μπορέσει να καταλάβει τι ακριβώς έχει στα χέρια της (λεπτομέρειες που λέει ο ίδιος και ο Salamat θα έρθουν σύντομα), οι θεωρητικοί θα κατασκευάσουν μοντέλα εξερευνώντας τα χαρακτηριστικά που δίνουν σε αυτό το μείγμα υδρογόνου-άνθρακα-θείου την υπεραγώγιμη ισχύ του, με την ελπίδα τροποποιώντας περαιτέρω τη συνταγή.
Οι φυσικοί έχουν αποδείξει ότι τα περισσότερα υβρίδια υδρογόνου δύο στοιχείων είναι αδιέξοδα, αλλά το νέο μείγμα τριών στοιχείων σηματοδοτεί μια δυνητικά σημαντική πρόοδο στον κόσμο των πολύπλοκων υλικών χίμαιρας. Ένα από τα στοιχεία που εμπλέκονται φαίνεται ιδιαίτερα υποσχόμενο σε ορισμένους.
«Αυτό που μου αρέσει σε αυτό το έργο είναι ότι φέρνουν άνθρακα στο σύστημα», είπε ο Mikhail Eremets, πειραματιστής στο Ινστιτούτο Χημείας Max Planck στη Γερμανία, του οποίου το εργαστήριο σημείωσε τα ρεκόρ υδριδίων του 2015 και του 2019.
Εξήγησε ότι η ελαφρότητα του υδρογόνου δεν είναι ο μόνος τρόπος για να ενισχυθούν οι δονήσεις που κατευθύνουν τα ηλεκτρόνια σε ζεύγη Cooper. Οι ισχυρότεροι δεσμοί μεταξύ γειτονικών ατόμων στο πλέγμα βοηθούν επίσης και, είπε, «ο άνθρακας έχει πολύ ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς». Τα υλικά με πλαίσιο άνθρακα θα μπορούσαν να αποφέρουν το πρόσθετο πλεονέκτημα της αποτροπής της πτώσης ολόκληρου του συγκροτήματος στις χαμηλές πιέσεις που αισθάνονται άνετα οι άνθρωποι.
Ο Zurek συμφωνεί. «Η πίεση δωματίου νόμιζα ότι θα ήταν πολύ προκλητική», είπε. «Αλλά αν μπορούμε να φέρουμε ενώσεις άνθρακα στο μείγμα, νομίζω ότι αυτό αποτελεί έναν δρόμο προς τα εμπρός».
Πηγές Άρθρου:
https://www.nytimes.com/2023/03/08/science/room-temperature-superconductor-ranga-dias.html
The first room-temperature superconductor has finally been found
https://www.quantamagazine.org/room-temperature-superconductivity-claim-falls-apart-update-20201014/
https://www.wired.com/story/scientists-discover-the-first-room-temperature-superconductor/
