Kunnen supergeleiders op kamertemperatuur werken zonder extreme druk?

Decennia lang waren wetenschappers op zoek naar een supergeleider op kamertemperatuur. Nu ze er eindelijk een hebben gevonden, gaat de jacht op een nog beter materiaal.

Tot vorig jaar moesten alle bekende supergeleiders – materialen die elektriciteit zonder weerstand geleiden – worden gekoeld, veel tot extreem lage temperaturen, waardoor ze onpraktisch waren voor gebruik in de meeste elektronische apparaten. In 2020 meldden natuurkundige Ranga Dias en collega’s dat een verbinding van koolstof, zwavel en waterstof supergeleidend was bij kamertemperatuur (SN: 14-10-20). Maar de behoefte aan koeling was ingeruild voor een andere onpraktische eis: het materiaal moest worden vermalen tot 267 gigapascal, meer dan 2 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde.

Nu bedenken wetenschappers strategieën om de druk te verminderen, misschien zelfs om de druk terug te brengen tot atmosferische niveaus. “Dit is wat we echt willen doen”, zegt Dias, van de Universiteit van Rochester in New York.

Een supergeleider die bij kamertemperatuur en atmosferische druk werkt, kan worden geïntegreerd in een breed scala aan elektronische apparaten, waardoor verbeterde computers en geavanceerde zwevende treinen mogelijk worden en enorme hoeveelheden energie in het elektriciteitsnet worden bespaard.

Maar hoe vind je supergeleiders die dichtbij kamertemperatuur werken en minder druk nodig hebben? “Ik denk dat dit nu de grote resterende vraag in het veld is”, zei natuurkundige Lilia Boeri van de Sapienza Universiteit van Rome op 16 maart tijdens een online bijeenkomst van de American Physical Society. Tijdens de bijeenkomst meldden verschillende groepen natuurkundigen vooruitgang te boeken.

Op zoek naar supergeleiders

Om de volgende grote supergeleider te vinden, helpt het om te weten waar je moet beginnen met jagen. Wetenschappers zijn met behulp van computerberekeningen om de structuren en eigenschappen van materialen theoretisch te bepalen en de zoektocht te begeleiden, zei theoretisch chemicus Eva Zurek op 16 maart tijdens de bijeenkomst. Die strategie heeft in het verleden zijn vruchten afgeworpen. “Theorie heeft een zeer belangrijke rol gespeeld en in sommige gevallen deze structuren voorspeld voordat ze werden gemaakt”, zei Zurek van de Universiteit van Buffalo in New York. Dergelijke voorspellingen brachten onderzoekers bijvoorbeeld naar een verbinding van lanthaan en waterstof die in 2018 supergeleidend bleek te zijn bij toen recordhoge temperaturen tot ongeveer –13 ° Celsius (SN: 10-9-18).

Nu hebben voorspellingen wetenschappers daartoe geleid supergeleiders gemaakt van yttrium en waterstofMeldde Dias op 18 maart tijdens de APS-bijeenkomst, in samenwerking met Zurek. Supergeleidend tot ongeveer –11 ° C, is Dias ‘yttrium-waterstof supergeleider een van de hoogste temperatuur supergeleiders die we kennen. Hoewel de koolstof-, zwavel- en waterstofsupergeleider van Dias nog steeds de temperatuurrecordhouder is, vereist het nieuwe materiaal een aanzienlijk lagere druk – hoewel bij 182 gigapascals, het is nog steeds geen simpele squeeze. Dias en Zurek rapporteerden ook hun resultaten op 19 maart in Fysieke beoordelingsbrieven.

De lijst van recordhouders op hoge temperatuur wordt gedomineerd door supergeleiders die rijk zijn aan waterstof. Van zuivere waterstof wordt verwacht dat het een metaal wordt wanneer het wordt geperst, een dat een supergeleider op kamertemperatuur zou zijn (SN: 8/10/16). Maar die metallische waterstof vereist zulke extreme drukken dat het moeilijk bleek te creëren. Door een ander element toe te voegen, zoals lanthaan of yttrium, hebben wetenschappers supergeleiders gemaakt die vergelijkbaar zijn met het ongrijpbare metallische waterstof, maar bij lagere drukken.

Theoretische berekeningen hebben nu alle combinaties van waterstof en elk ander enkel element onderzocht, op zoek naar waarschijnlijke supergeleiders. De nieuwe grens berekent combinaties van twee elementen met waterstof, zoals de koolstof-zwavel-waterstofverbinding die Dias experimenteel vond. Maar die taak vormt een extra uitdaging: te veel paren elementen om uit te kiezen. “Het zal gewoon in onze gezichten exploderen, het aantal mogelijke combinaties,” zegt Zurek. Toch heeft een studie al gesuggereerd dat deze techniek succes zal hebben bij het verminderen van de druk.

Nieuwe materialen bestuderen

EEN combinatie van lanthaan, boor en waterstof kunnen supergeleidend zijn bij lagere drukken, meldden Boeri en collega’s tijdens de vergadering en in een krant 22 februari gepost op arXiv.org. De chemische structuur is vergelijkbaar met die van de 2018 supergeleider gemaakt van lanthaan en waterstof, waar een kooi van waterstofatomen een lanthaanatoom omgeeft. In de nieuwe verbinding vullen booratomen wat extra lege ruimte rond de kooi. Dat zorgt voor een extra chemische druk, zei Boeri, wat betekent dat, als het materiaal in het laboratorium zou zijn gemaakt, het zijn supergeleiding zou kunnen behouden, zelfs als de externe druk zo laag is als 40 gigapascal. De voorspelde temperatuur is lager, namelijk –147 ° C, maar dat is nog steeds relatief warm in vergelijking met de meeste supergeleiders.

“We waren eigenlijk best verrast dat het zo zou werken”, zegt Boeri. Normaal gesproken zouden scheikundigen verwachten dat het boor bindingen vormt met de waterstof, in plaats van simpelweg te handelen om in de waterstofkooi te blijven hangen. Maar chemie onder druk overtreedt de normale regels.

Daarom zijn berekeningen zo belangrijk bij het zoeken naar supergeleiders, zegt Zurek. Computationele methoden om onder druk naar nieuwe materialen te zoeken, kunnen structuren vinden die een normale intuïtie, gebaseerd op chemie bij omgevingsdruk, niet zou hebben bedacht. Databases van chemische structuren zouden deze materialen niet bevatten, “noch had onze chemische verbeelding ervan kunnen dromen voordat we ze op de computer hadden gevonden”, zei ze.

In zijn lezing liet Dias hints vallen over een ander nieuw materiaal dat zijn groep heeft gevonden dat supergeleidend is bij kamertemperatuur en een aanzienlijk lagere druk, ongeveer 20 gigapascal. Maar hij kan er nog niet over praten vanwege een lopende patentaanvraag.

Wetenschappers zijn enthousiast over de nieuwe ontwikkelingen in het supergeleideronderzoek. “Dit is gewoon het meest opwindende dat er momenteel gaande is in de wetenschap”, zei natuurkundige Graeme Ackland van de Universiteit van Edinburgh, die een van de sessies tijdens de bijeenkomst modereerde.

Dias ziet een toekomst voor zich waarin verkopers in ijzerwarenzaken zullen vragen: “’Wil je een supergeleidende draad of wil je normale draden?’”, Zei hij. “We willen dat het op dat niveau komt.”