Исследователи не только повысили температуру, но и снизили давление, необходимое для достижения сверхпроводимости.
Совершив историческое достижение, исследователи из Университета Рочестера создали сверхпроводящий материал при температуре и давлении, достаточно низких для практического применения.
«С этим материалом наступил рассвет сверхпроводимости в окружающей среде и прикладных технологий», — говорит команда под руководством Ранга Диаса, доцента кафедры машиностроения и физики. В статье, опубликованной 8 марта в журнале Nature, исследователи описывают легированный азотом гидрид лютеция (NDLH), который проявляет сверхпроводимость при температуре 69 градусов по Фаренгейту и давлении 10 килобар (145 000 фунтов на квадратный дюйм, или psi).
Хотя давление в 145 000 фунтов на квадратный дюйм может показаться чрезвычайно высоким (давление на уровне моря составляет около 15 фунтов на квадратный дюйм), методы инженерии деформации, обычно используемые, например, в производстве микросхем, включают материалы, удерживаемые вместе за счет внутреннего химического давления, которое еще выше.
Исследователи не только подняли температуру, но и понизили давление, необходимое для достижения сверхпроводимости. Предоставлено: Университет Рочестера / AJ Pow.
Ученые добивались этого прорыва в физике конденсированного состояния более века. Сверхпроводящие материалы обладают двумя ключевыми свойствами: электрическое сопротивление исчезает, а испускаемые магнитные поля проходят вокруг сверхпроводящего материала. Такие материалы могут позволить:
Электросети, которые передают электроэнергию без потери до 200 миллионов мегаватт-часов (МВтч) энергии, которая сейчас возникает из-за сопротивления в проводах
Бесшумные левитирующие высокоскоростные поезда
Более доступные методы медицинской визуализации и сканирования, такие как МРТ и магнитокардиография.
Более быстрая и эффективная электроника для цифровой логики и технологии запоминающих устройств
Машины токамак, которые используют магнитные поля для удержания плазмы для достижения термоядерного синтеза в качестве источника неограниченной мощности.
Ранее команда Диаса сообщила о создании двух материалов — углеродсодержащего гидрида серы и супергидрида иттрия, — которые обладают сверхпроводимостью при температуре 58 градусов по Фаренгейту/39 миллионов фунтов на квадратный дюйм и 12 градусов по Фаренгейту/26 миллионов фунтов на квадратный дюйм соответственно, в статьях в журналах Nature и Physical Review Letters.
Учитывая важность нового открытия, Диас и его команда пошли на необычные меры, чтобы задокументировать свое исследование и предотвратить критику, появившуюся после предыдущей статьи в Nature, которая привела к опровержению редакторами журнала. По словам Диаса, предыдущая статья была повторно отправлена в Nature с новыми данными, подтверждающими более раннюю работу. Новые данные были собраны за пределами лаборатории, в Аргоннской и Брукхейвенской национальных лабораториях перед аудиторией ученых, которые вживую наблюдали сверхпроводящий переход. Аналогичный подход был применен к новой статье.
Пять аспирантов лаборатории Диаса — Натан Дасенброк-Гэммон, Эллиот Снайдер, Рэймонд Макбрайд, Хиранья Пасан и Дилан Дурки — указаны в качестве соавторов. «Все в группе участвовали в проведении экспериментов, — говорит Диас. «Это было действительно коллективное усилие».
«Поразительная визуальная трансформация»
Гидриды, созданные путем объединения редкоземельных металлов с водородом, а затем добавлением азота или углерода, в последние годы предоставили исследователям дразнящий «рабочий рецепт» для создания сверхпроводящих материалов. С технической точки зрения, гидриды редкоземельных металлов образуют клатратоподобные каркасные структуры, где ионы редкоземельных металлов действуют как доноры-носители, обеспечивая достаточное количество электронов, которые усиливают диссоциацию молекул H2. Азот и углерод помогают стабилизировать материалы. Вывод: для возникновения сверхпроводимости требуется меньшее давление.
Помимо иттрия исследователи использовали и другие редкоземельные металлы. Однако полученные соединения становятся сверхпроводящими при температурах или давлениях, которые все еще нецелесообразны для приложений.
Итак, на этот раз Диас посмотрел в другом месте периодической таблицы.
Лютеций выглядел как «хороший кандидат, который стоит попробовать», — говорит Диас. Он имеет сильно локализованные полностью заполненные 14 электронов в своей f-орбитальной конфигурации, которые подавляют смягчение фононов и обеспечивают усиление электрон-фононного взаимодействия, необходимого для сверхпроводимости при температуре окружающей среды. «Ключевой вопрос заключался в том, как мы собираемся стабилизировать это, чтобы снизить необходимое давление? И вот тут на сцену вышел азот».
По словам Диаса, азот, как и углерод, имеет жесткую атомную структуру, которую можно использовать для создания более стабильной решетчатой решетки внутри материала, и он делает низкочастотные оптические фононы жесткими. Эта структура обеспечивает стабильность сверхпроводимости при более низком давлении.
Команда Диаса создала газовую смесь из 99 процентов водорода и одного процента азота, поместила ее в реакционную камеру с чистым образцом лютеция и дала компонентам прореагировать в течение двух-трех дней при температуре 392 градуса по Фаренгейту.
Полученное соединение лютеций-азот-водород изначально имело «блестящий голубоватый цвет», говорится в документе. Когда соединение затем сжимали в ячейке с алмазной наковальней, происходило «поразительное визуальное преобразование»: от голубого до розового в начале сверхпроводимости, а затем до ярко-красного несверхпроводящего металлического состояния.
«Это был очень ярко-красный цвет, — говорит Диас. «Я был потрясен, увидев цвета такой интенсивности. Мы с юмором предложили кодовое название материала в этом состоянии — «красная материя» — в честь материала, который Спок создал в популярном фильме «Звездный путь» 2009 года». Кодовое название прижилось. Давление в 145 000 фунтов на квадратный дюйм, необходимое для индукции сверхпроводимости, почти на два порядка ниже, чем предыдущее низкое давление, созданное в лаборатории Диаса.
Прогнозирование новых сверхпроводящих материалов с помощью машинного обучения
При финансовой поддержке премии Диаса Национального научного фонда CAREER и гранта Министерства энергетики США его лаборатория теперь ответила на вопрос, может ли сверхпроводящий материал существовать как при температуре окружающей среды, так и при достаточно низком давлении для практического применения.
«Путь к сверхпроводящей бытовой электронике, линиям передачи энергии, транспорту и значительным улучшениям магнитного удержания для термоядерного синтеза теперь стал реальностью», — говорит Диас. «Мы считаем, что сейчас мы находимся в современной сверхпроводящей эре».
Например, Диас предсказывает, что гидрид лютеция, легированный азотом, значительно ускорит прогресс в разработке токамаков для термоядерного синтеза. Вместо того, чтобы использовать мощные сходящиеся лазерные лучи для взрыва топливной таблетки, токамаки полагаются на сильные магнитные поля, излучаемые корпусом в форме пончика, для улавливания, удержания и воспламенения перегретой плазмы. По словам Диаса, NDLH, который создает «огромное магнитное поле» при комнатной температуре, «изменит правила игры» для новой технологии.
По словам Диаса, особенно интересной является возможность обучения алгоритмов машинного обучения на накопленных данных экспериментов со сверхпроводниками в его лаборатории для прогнозирования других возможных сверхпроводящих материалов — по сути, смешивание и сопоставление тысяч возможных комбинаций редкоземельных металлов, азота , водород и углерод.
«В повседневной жизни у нас есть много разных металлов, которые мы используем для разных целей, поэтому нам также понадобятся разные виды сверхпроводящих материалов», — говорит Диас. «Подобно тому, как мы используем разные металлы для разных приложений, нам нужно больше внешних сверхпроводников для разных приложений».
Соавтор Кейт Лоулор уже приступил к разработке алгоритмов и проведению расчетов с использованием ресурсов суперкомпьютеров, доступных в Центре интегрированных исследовательских вычислений Университета Рочестера.
Центр сверхпроводящих материалов в северной части штата Нью-Йорк?
Исследовательская группа Диаса недавно переехала в новую расширенную лабораторию на третьем этаже Хоупман-холла в кампусе Ривер. По его словам, это первый шаг в амбициозном плане по запуску Центра сверхпроводящих инноваций (CSI) в Университете Рочестера.
Центр создаст экосистему для привлечения дополнительных преподавателей и ученых в университет для развития науки о сверхпроводимости. Подготовленные студенты расширили бы круг исследователей в этой области.
«Мы надеемся сделать северную часть штата Нью-Йорк центром сверхпроводящих технологий, — говорит Диас.
Ссылка: «Доказательства сверхпроводимости в гидриде лютеция, легированного азотом», Натан Дасенброк-Гаммон, Эллиот Снайдер, Рэймонд Макбрайд, Хиранья Пасан, Дилан Дурки, Нугзари Халваши-Саттер, Сасанка Мунасингхе, Сахит Э. Диссанаяке, Кейт В. , Лоулер, Ашкан Саламат и Ранга П. Диас. 8 марта 2023. Природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-05742-0
Финансирование: Национальный научный фонд, Министерство энергетики/Министерство энергетики США, Unearthly Materials Inc.
No comments:
Post a Comment