W historycznym osiągnięciu naukowcy z University of Rochester stworzyli materiał nadprzewodzący w temperaturze i ciśnieniu wystarczająco niskim do zastosowań praktycznych.
“Dzięki temu materiałowi nastał świt nadprzewodnictwa otoczenia i stosowanych technologii” – twierdzi zespół kierowany przez Ranga Dias, adiunkta inżynierii mechanicznej i fizyki. W artykule w Nature naukowcy opisują domieszkowany azotem wodorek lutetu (NDLH), który wykazuje nadprzewodnictwo w temperaturze 69 stopni Fahrenheita i ciśnieniu 10 kilobarów (145 000 funtów na cal kwadratowy lub psi).
Chociaż 145 000 psi może nadal wydawać się wyjątkowo wysokie (ciśnienie na poziomie morza wynosi około 15 psi), techniki inżynierii naprężeń rutynowo stosowane na przykład w produkcji chipów obejmują materiały utrzymywane razem przez wewnętrzne ciśnienie chemiczne, które jest jeszcze wyższe.
Naukowcy dążą do tego przełomu w fizyce materii skondensowanej od ponad wieku. Materiały nadprzewodzące mają dwie kluczowe właściwości: opór elektryczny zanika, a wyrzucane pola magnetyczne przechodzą wokół materiału nadprzewodzącego. Takie materiały mogłyby umożliwić:
Sieci elektroenergetyczne, które przesyłają energię elektryczną bez utraty do 200 milionów megawatogodzin (MWh) energii, która obecnie powstaje z powodu oporu przewodów Beztarciowe, lewitujące szybkie pociągi Tańsze techniki obrazowania medycznego i skanowania, takie jak MRI i magnetokardiografia Szybciej , wydajniejsza elektronika dla logiki cyfrowej i technologia urządzeń pamięci Tokamak wykorzystujący pola magnetyczne do ograniczania plazmy w celu osiągnięcia syntezy jądrowej jako źródła nieograniczonej mocy
Wcześniej zespół Dias informował o stworzeniu dwóch materiałów – węglowodorowego wodorku siarki i nadwodorku itru – które są nadprzewodnikami odpowiednio przy 58 stopniach Fahrenheita/39 milionów psi i 12 stopniach Fahreneheita/26 milionów psi, w artykułach w Nature i Physical Review Letters.
Biorąc pod uwagę znaczenie nowego odkrycia, Dias i jego zespół dołożyli wszelkich starań, aby udokumentować swoje badania i odeprzeć krytykę, która rozwinęła się w następstwie poprzedniego artykułu Nature, który doprowadził do wycofania się przez redaktorów czasopisma. Poprzedni artykuł został ponownie przesłany do Nature z nowymi danymi, które potwierdzają wcześniejsze prace, mówi Dias. Nowe dane zostały zebrane poza laboratorium, w Argonne i Brookhaven National Laboratories, przed publicznością naukowców, którzy widzieli na żywo przemianę nadprzewodzącą. Podobne podejście przyjęto w przypadku nowego dokumentu.
Pięciu doktorantów w laboratorium Diasa – Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan i Dylan Durkee – jest wymienionych jako współprowadzący autorzy. „Wszyscy w grupie byli zaangażowani w przeprowadzanie eksperymentów” – mówi Dias. „To był naprawdę zbiorowy wysiłek”.
„Zaskakująca wizualna transformacja” nadprzewodnictwa i nie tylko
Wodorki utworzone przez połączenie metali ziem rzadkich z wodorem, a następnie dodanie azotu lub węgla, dostarczyły naukowcom kuszącej “recepty roboczej” na tworzenie materiałów nadprzewodzących w ostatnich latach. Z technicznego punktu widzenia wodorki metali ziem rzadkich tworzą podobne do klatratów struktury klatkowe, w których jony metali ziem rzadkich działają jako donory nośników, dostarczając wystarczającą liczbę elektronów, które wzmocniłyby dysocjację cząsteczek H2. Azot i węgiel pomagają stabilizować materiały. Konkluzja: do wystąpienia nadprzewodnictwa potrzebne jest mniejsze ciśnienie.
Oprócz itru naukowcy wykorzystali inne metale ziem rzadkich. Jednak powstałe związki stają się nadprzewodzące w temperaturach lub ciśnieniach, które nadal nie są praktyczne w zastosowaniach.
Więc tym razem Dias spojrzał gdzie indziej wzdłuż układu okresowego pierwiastków.
Lutet wyglądał na „dobrego kandydata do spróbowania” – mówi Dias. Ma wysoce zlokalizowane, w pełni wypełnione 14 elektronów w konfiguracji orbitalnej f, które tłumią zmiękczanie fononów i zapewniają wzmocnienie sprzężenia elektron-fonon potrzebnego do nadprzewodnictwa w temperaturach otoczenia. „Kluczowym pytaniem było, w jaki sposób zamierzamy to ustabilizować, aby obniżyć wymagane ciśnienie? I tu pojawił się azot”.
Azot, podobnie jak węgiel, ma sztywną strukturę atomową, którą można wykorzystać do stworzenia bardziej stabilnej sieci przypominającej klatkę w materiale i utwardza fonony optyczne o niskiej częstotliwości, według Diasa. Taka struktura zapewnia stabilność występowania nadprzewodnictwa przy niższym ciśnieniu.
Zespół Diasa stworzył mieszaninę gazową składającą się z 99 procent wodoru i jednego procenta azotu, umieścił ją w komorze reakcyjnej z czystą próbką lutetu i pozwolił składnikom reagować przez dwa do trzech dni w temperaturze 392 stopni Fahrenheita.
Otrzymany związek lutetowo-azotowo-wodorowy miał początkowo „lśniący niebieskawy kolor” – czytamy w artykule. Kiedy związek został następnie ściśnięty w diamentowej komórce kowadła, nastąpiła „zaskakująca wizualna transformacja”: od niebieskiego do różowego na początku nadprzewodnictwa, a następnie do jasnoczerwonego, nieprzewodzącego metalicznego stanu.
„To była bardzo jasna czerwień” – mówi Dias. „Byłem zszokowany, widząc kolory o takiej intensywności. Z humorem zaproponowaliśmy kryptonim materiału w tym stanie – „reddmatter” – na cześć materiału, który Spock stworzył w popularnym filmie Star Trek z 2009 roku”. Nazwa kodowa utknęła.
Ciśnienie 145 000 psi wymagane do wywołania nadprzewodnictwa jest prawie o dwa rzędy wielkości niższe niż poprzednie niskie ciśnienie wytworzone w laboratorium Diasa.
Algorytmy uczenia maszynowego do przewidywania nowych materiałów nadprzewodzących
Dzięki wsparciu finansowemu przyznanemu przez Dias’s National Science Foundation CAREER oraz grantowi Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, jego laboratorium odpowiedziało teraz na pytanie, czy materiał nadprzewodzący może istnieć zarówno w temperaturze otoczenia, jak i ciśnieniu wystarczająco niskim do zastosowań praktycznych.
„Ścieżka do nadprzewodzącej elektroniki użytkowej, linii przesyłu energii, transportu i znacznych ulepszeń magnetycznego zamknięcia do syntezy jądrowej jest teraz rzeczywistością” – mówi Dias. „Uważamy, że jesteśmy teraz w nowoczesnej erze nadprzewodników”.
Na przykład Dias przewiduje, że domieszkowany azotem wodorek lutetu znacznie przyspieszy postęp w opracowywaniu tokamaków do syntezy jądrowej. Zamiast używać silnych, zbieżnych wiązek laserowych do implozji pastylki paliwowej, tokamaki polegają na silnych polach magnetycznych emitowanych przez obudowę w kształcie pączka, która zatrzymuje, zatrzymuje i zapala przegrzaną plazmę. NDLH, który wytwarza „ogromne pole magnetyczne” w temperaturze pokojowej, „będzie przełomem” dla powstającej technologii, mówi Dias.
Według Diasa szczególnie ekscytująca jest możliwość szkolenia algorytmów uczenia maszynowego za pomocą zgromadzonych danych z eksperymentów nadprzewodzących w jego laboratorium w celu przewidywania innych możliwych materiałów nadprzewodzących – w efekcie mieszania i dopasowywania z tysięcy możliwych kombinacji metali ziem rzadkich, azot, wodór i węgiel.
“W codziennym życiu mamy wiele różnych metali, których używamy do różnych zastosowań, więc będziemy również potrzebować różnych rodzajów materiałów nadprzewodzących” – mówi Dias. „tak jak używamy różnych metali do różnych zastosowań, potrzebujemy więcej nadprzewodników otoczenia do różnych zastosowań”.
Współautor Keith Lawlor już zaczął opracowywać algorytmy i wykonywać obliczenia przy użyciu zasobów superkomputerowych dostępnych za pośrednictwem Centrum Zintegrowanych Badań Obliczeniowych Uniwersytetu w Rochester.
Centrum materiałów nadprzewodzących na północy stanu Nowy Jork?
Grupa badawcza Diasa niedawno przeniosła się do nowego, rozbudowanego laboratorium na trzecim piętrze Hopeman Hall w River Campus. To pierwszy krok w ambitnym planie uruchomienia Centrum Innowacji Nadprzewodzących (CSI) na Uniwersytecie w Rochester, nadającego stopnie naukowe, mówi.
Centrum stworzyłoby ekosystem do przyciągania dodatkowych wykładowców i naukowców na uniwersytet, aby rozwijać naukę o nadprzewodnictwie. Przeszkoleni studenci poszerzyliby grono badaczy w tej dziedzinie.
“Naszą nadzieją jest uczynienie z północnej części stanu Nowy Jork centrum technologii nadprzewodzących” – mówi Dias.
Wideo: https://youtu.be/ryJxMYX7YEU