Rumtemperatur superledning er blevet opnået for første gang

Udstyr, der bruges til at skabe en superleder ved stuetemperatur, inklusive en diamantamboltcelle (blå boks) og laserarrays, er afbildet i University of Rochester lab i Ranga Dias. Adam vindue

Rumtemperatur-superledere - materialer, der leder elektricitet med nul modstand uden at kræve særlig afkøling - er den slags teknologiske mirakel, der ville ødelægge dagligdagen. De kunne revolutionere det elektriske net og muliggøre svævende tog, blandt mange andre potentielle applikationer. Men indtil nu har superledere skullet afkøles til ekstremt lave temperaturer, hvilket har begrænset dem til at blive brugt som en nicheteknologi (omend en vigtig sådan). I årtier så det ud til, at stuetemperatur superledning kan være uden for rækkevidde for altid , men i de sidste fem år har nogle få forskningsgrupper rundt om i verden været involveret i et kapløb om at opnå det i laboratoriet.

En af dem har lige vundet.

I en papir offentliggjort i dag i Nature , rapporterer forskere, at de opnår superledningsevne ved stuetemperatur i en forbindelse, der indeholder brint, svovl og kulstof ved temperaturer så høje som 58 °F (13,3 °C eller 287,7 K). Den tidligere højeste temperatur havde været 260 K, eller 8 °F, opnået af en rivaliserende gruppe ved George Washington University og Carnegie Institution i Washington, DC, i 2018. (En anden gruppe ved Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland, opnåede 250 K, eller -9,7 °F, på cirka samme tidspunkt.) Ligesom de tidligere rekorder blev den nye rekord opnået under ekstremt høje tryk - omkring to en halv million gange større end den luft, vi indånder.

Det er et vartegn, siger José Flores-Livas, en beregningsfysiker ved Sapienza-universitetet i Rom, som skaber modeller, der forklarer superledning ved høje temperaturer, og som ikke var direkte involveret i arbejdet. Om et par år, siger han, gik vi fra 200 [K] til 250 og nu 290. Jeg er ret sikker på, at vi når 300.

Elektriske strømme er strømmende elektriske ladninger, som oftest består af elektroner. Ledere som kobbertråde har masser af løst bundne elektroner. Når et elektrisk felt påføres, flyder disse elektroner relativt frit. Men selv gode ledere som kobber har modstand: de opvarmes, når de bærer elektricitet.

Superledning - hvor elektroner strømmer gennem et materiale uden modstand - lyder umuligt ved første rødme. Det er, som om man kunne køre med høj hastighed gennem en overfyldt bymidte uden at ramme et lyskryds. Men i 1911 fandt den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes ud af, at kviksølv bliver en superleder, når det afkøles til et par grader over det absolutte nulpunkt (ca. -460 °F eller -273 °C). Han observerede snart fænomenet i andre metaller som tin og bly.

I mange årtier bagefter blev superledning kun skabt ved ekstremt lave temperaturer. Så, i slutningen af ​​1986 og begyndelsen af ​​1987, fandt en gruppe forskere ved IBM's Zürich-laboratorium, at visse keramiske oxider kan være superledere ved temperaturer så høje som 92 K – helt afgørende over kogetemperaturen for flydende nitrogen, som er 77 K. Dette transformerede studiet af superledningsevne og dets anvendelser i ting som hospitals-MR'er, fordi flydende nitrogen er billigt og nemt at håndtere. (Flydende helium er, selvom det er koldere meget mere kræsen og dyrere .) Det store spring i 1980'erne førte til febrilske spekulationer om, at superledning ved stuetemperatur kunne være mulig. Men den drøm havde vist sig at være uhåndgribelig, indtil den forskning, der blev rapporteret i dag.

Under pres

En måde, superledere fungerer på, er, når elektronerne, der strømmer gennem dem, er koblet til fononer - vibrationer i atomgitteret, materialet er lavet af. Det faktum, at de to er synkroniserede, mener teoretikere, tillader elektroner at flyde uden modstand. Lave temperaturer kan skabe betingelserne for, at sådanne par kan dannes i en lang række materialer. I 1968 påstod Neil Ashcroft fra Cornell University, at under højt pres, brint ville også være en superleder . Ved at tvinge atomer til at pakke sig tæt sammen, ændrer høje tryk den måde, elektroner opfører sig på, og i nogle tilfælde gør det muligt at danne elektron-fonon-par.

Forskere har i årtier søgt at forstå præcis, hvad disse omstændigheder er, og at finde ud af, hvilke andre grundstoffer der kan blandes med brint for at opnå superledning ved gradvist højere temperaturer og lavere tryk.

I det arbejde, der er rapporteret i dagens papir, blandede forskere fra University of Rochester og kolleger først kulstof og svovl i et en-til-en-forhold, malede blandingen ned til små kugler og klemte derefter disse kugler mellem to diamanter, mens de injicerede brintgas . En laser blev skinnet på forbindelsen i flere timer for at nedbryde bindinger mellem svovlatomerne og dermed ændre systemets kemi og elektronernes adfærd i prøven. Den resulterende krystal er ikke stabil ved lave tryk - men den er superledende. Den er også meget lille - under de høje tryk, som den superleder ved, er den omkring 30 milliontedele meter i diameter.

De nøjagtige detaljer vedr hvorfor disse sammensatte værker er ikke fuldt ud forstået - forskerne er ikke engang sikre på præcis, hvilken forbindelse de har lavet. Men de udvikler nye værktøjer til at finde ud af, hvad det er, og er optimistiske om, at når de først er i stand til det, vil de være i stand til at tilpasse sammensætningen, så forbindelsen kan forblive superledende selv ved lavere tryk.

At komme ned på 100 gigapascal - omkring halvdelen af ​​det tryk, der bruges i nutidens Nature-papir - ville gøre det muligt at begynde at industrialisere supersmå sensorer med meget høj opløsning, spekulerer Flores-Livas. Præcise magnetiske sensorer bruges i mineralprospektering og også til at detektere affyring af neuroner i den menneskelige hjerne, såvel som til fremstilling af nye materialer til datalagring. En lavpris, præcis magnetisk sensor er den type teknologi, der ikke lyder sexet i sig selv, men som gør mange andre mulige.

Og hvis disse materialer kan skaleres op fra små tryksatte krystaller til større størrelser, der fungerer ikke kun ved stuetemperatur, men også ved omgivende tryk, ville det være begyndelsen på et endnu mere dybtgående teknologisk skift. Ralph Scheicher, en beregningsmodeller ved Uppsala Universitet i Sverige, siger, at han ikke ville blive overrasket, hvis dette skete inden for det næste årti.

Modstand er nyttesløs

Måden, hvorpå elektricitet genereres, transmitteres og distribueres, ville blive fundamentalt transformeret af billige og effektive superledere med rumtemperatur, der er større end et par milliontedele af en meter. Omkring 5% af elektriciteten produceret i USA går tabt i transmission og distribution , ifølge Energioplysningsforvaltningen. At eliminere dette tab ville for det første spare milliarder af dollars og have en betydelig klimapåvirkning. Men superledere ved stuetemperatur ville ikke bare ændre det system, vi har - de ville aktivere et helt nyt system. Transformatorer, som er afgørende for elnettet, kunne gøres mindre, billigere og mere effektive. Det kunne elektriske motorer og generatorer også. Superledende energilagring bruges i dag til at udjævne kortsigtede udsving i elnettet, men det er stadig relativt niche, fordi det kræver meget energi at holde superledere kolde. Rumtemperatur-superledere, især hvis de kunne konstrueres til at modstå stærke magnetiske felter, kan tjene som en meget effektiv måde at lagre større mængder energi på i længere perioder , hvilket gør vedvarende, men intermitterende energikilder som vindmøller eller solceller mere effektive.

Og fordi strømmende elektricitet skaber magnetiske felter, kan superledere også bruges til at skabe kraftige magneter til så forskellige applikationer som MRI-maskiner og svævende tog. Superledere er også af stor potentiel betydning inden for kvantecomputerens begyndende felt. Superledende qubits er allerede grundlaget for nogle af verdens mest kraftfulde kvantecomputere. At være i stand til at lave sådanne qubits uden at skulle køle dem ned ville ikke kun gøre kvantecomputere enklere, mindre og billigere, men kunne føre til hurtigere fremskridt med at skabe systemer med mange qubits, afhængigt af de nøjagtige egenskaber af de superledere, der skabes. .

Alle disse applikationer er i princippet opnåelige med superledere, der skal afkøles til lave temperaturer for at fungere. Men hvis du skal køle dem så radikalt, mister du mange – i nogle tilfælde alle – af de fordele, du får ved manglen på elektrisk modstand. Det gør dem også mere komplicerede, dyre og tilbøjelige til at fejle.

Det er stadig uvist, om forskere kan udtænke stabile forbindelser, der er superledende ikke kun ved omgivelsestemperatur, men også ved omgivende tryk. Men forskerne er optimistiske. De afslutter deres artikel med denne fristende påstand: Et robust superledende materiale ved stuetemperatur, der vil transformere energiøkonomien, kvanteinformationsbehandling og -sansning kan være opnåeligt.

skjule