Сжимая простые твердые тела с помощью водорода при чрезвычайно высоких давлениях, инженеры и физики Рочестерского университета (University of Rochester) впервые создали сверхпроводящий материал, который сохраняет свои свойства при комнатной температуре.
Работа, представленная на обложке журнала Nature, была выполнена лабораторией Ранга Диаса, доцента физики и машиностроения.
Диас говорит, что разработка сверхпроводящих материалов без электрического сопротивления и выброса магнитного поля при комнатной температуре — это «святой Грааль» физики конденсированного состояния. “Эти материалы могут до неузнаваемости изменить мир».
Установив новый рекорд, Диас и его исследовательская группа соединили водород с углеродом и серой для синтеза органического углеродистого гидрида серы в алмазной наковальне. Алмазная наковальня — это исследовательское устройство, используемое для исследования небольшого количества вещества под чрезвычайно высоким давлением.
Углеродистый гидрид серы проявил сверхпроводимость при температуре около 150С и давлении около 270 000 МПа. Это первый случай когда можно было наблюдать сверхпроводящий материал при комнатной температуре.
«Из-за низких температур материалы с такими необычными свойствами пока не могут изменить мир так, как могли бы. Однако наше открытие разрушит эти барьеры и откроет двери для многих потенциальных областей применения», — говорит Диас.
Вот только некоторый из них:
- Электрические сети, передающие электроэнергию без потерь, которые достигают до 200 миллионов мегаватт-часов (МВт-ч). Потери возникают из-за сопротивления в проводах.
- Новый способ управления левитирующими поездами и другими видами транспорта.
- Медицинские методы визуализации и сканирования, такие как МРТ и магнитокардиография.
- Более быстрая и эффективная электроника для цифровой логики и запоминающих устройств.
Количество сверхпроводящего материала, создаваемого ячейками алмазной наковальни, измеряется в пиколитрах — это размер одной частицы для струйной печати.
Следующей задачей, по словам Диаса, является поиск новых способов создания сверхпроводящих материалов комнатной температуры, но при более низком давлении. Это необходимо для того, чтобы было экономически выгодно производить в больших объемах. По сравнению с давлением в тысячи МПа, созданным в эксперименте, атмосферное давление Земли на уровне моря составляет около 0.101 МПа.
Почему так важен сверхпроводящий материал при комнатной температуре?
Сверхпроводимость, впервые обнаруженная в 1911 году, придает материалам два ключевых свойства. Пропадает электрическое сопротивление и любое подобие магнитного поля исключается из-за явления, называемого эффектом Мейснера. Силовые линии магнитного поля должны проходить вокруг сверхпроводящего материала, что позволяет поднимать такие материалы в воздух. Это можно использовать для создания высокоскоростных поездов без трения, известных как поезда на магнитной подвеске.
Мощные сверхпроводящие электромагниты уже являются критически важными компонентами поездов маглава, аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ), ядерного магнитного резонанса (ЯМР), ускорителей частиц и других технологий, включая ранние квантовые суперкомпьютеры.
Но сверхпроводящие материалы, используемые в устройствах, обычно работают только при чрезвычайно низких температурах. Это ограничение делает их обслуживание слишком дорогим для широкого применения. «Стоимость обслуживания этих материалов при криогенных температурах настолько высока, что вы не можете полностью использовать их преимущества», — говорит Диас.
Ранее самая высокая температура, при которой был получен сверхпроводящий материал, была достигнута в прошлом году в лаборатории Михаила Еремеца в Институте химии Макса Планка (Max Planck Institute for Chemistry) в Майнце, Германия, и группой Рассела Хемли в Иллинойском университете (University of Illinois) в Чикаго. Эти группы сообщили о сверхпроводимости при температуре от -25 до 150С с использованием супергидрида лантана.
В последние годы исследователи изучали оксиды меди и химические вещества на основе железа в качестве потенциальных кандидатов на высокотемпературные сверхпроводники. Но и водород — самый распространенный элемент во Вселенной — также является многообещающим веществом для этих целей.
«Чтобы иметь высокотемпературный сверхпроводник, вам нужны более прочные связи и легкие элементы. Это два основных критерия», — говорит Диас. «Водород — самый легкий материал, а водородная связь — одна из самых прочных.
«Теоретически твердый металлический водород имеет высокую температуру Дебая и сильную электрон-фононную связь, которая необходима для сверхпроводимости при комнатной температуре», — говорит Диас.
Однако для того, чтобы перевести чистый водород в металлическое состояние, требуется чрезвычайно высокое давление. Это было впервые достигнуто в лаборатории Гарвардского университета (Harvard University) в 2017 году профессорами Исааком Сильвера и Диасом.
Смена парадигмы
Лаборатория Диаса в Рочестере придерживается «смены парадигмы» в своем подходе, используя в качестве альтернативы богатые водородом материалы. Они имитируют неуловимую сверхпроводящую фазу чистого водорода, которая может быть металлизированы при более низких давлениях.
Сначала исследователи объединили иттрий и водород. Полученный в результате супергидрид иттрия проявил сверхпроводимость при рекордно высокой температуре около -10 0С и давлении около 200 000 МПа.
Затем лаборатория исследовала ковалентные материалы на основе органических соединений, богатые водородом.
В результате этой работы был получен углеродистый гидрид серы. «Присутствие углерода имеет здесь чрезвычайно важное значение», — сообщают исследователи. Они добавляют, что дальнейшая «корректировка состава» этой комбинации элементов может быть ключом к достижению сверхпроводимости при еще более высоких температурах.