Ученые из Университета Рочестера создали сверхпроводящий материал при температуре и давлении, достаточно низких для практического применения — это поистине историческое достижение.
«С этим материалом наступил рассвет сверхпроводимости в окружающей среде и прикладных технологий», — говорит команда исследователей под руководством Ранга Диаса, доцента кафедры машиностроения и физики.
В статье в журнале Nature исследователи описывают легированный азотом гидрид лютеция (NDLH), который проявляет сверхпроводимость при 20,5 градусов по Цельсию и давлении около 10 килобар (145 000 фунтов на квадратный дюйм, или 10 194 килограммов на квадратный сантиметр).
Хотя давление в 10 килобар (10 тыс. атмосфер) может показаться чрезвычайно высоким (давление на уровне моря составляет около 1 кг на квадратный сантиметр), методы инженерии, обычно используемые, например, в производстве микросхем, включают материалы, удерживаемые вместе за счет внутреннего химического давления, которое еще выше.
Ученые добиваются 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, 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
- Токамаки, которые используют магнитные поля для удержания плазмы для достижения термоядерного синтеза в качестве источника неограниченной энергии
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 H 2. Азот и углерод помогают стабилизировать материалы. Вывод: для возникновения сверхпроводимости требуется меньшее давление.
Однако полученные соединения становятся сверхпроводящими при температурах или давлениях, которые все еще нецелесообразны для технологий.
На этот раз ученые попробовали другие элементы.
Лютеций выглядел как «хороший кандидат, который стоит попробовать», — говорит Ранга 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 его, чтобы снизить требуемое давление? И вот тут-то и появился азот».
По словам ученых, азот, как и углерод, имеет жесткую атомную структуру, которую можно использовать для создания более стабильной 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% водорода и 1% азота, поместила ее в реакционную камеру с чистым образцом лютеция и дала компонентам прореагировать в течение двух-трех дней при температуре 200 градусов по Цельсию.
Полученное соединение лютеций-азот-водород изначально имело «блестящий голубоватый цвет», говорится в документе. Когда соединение затем было сжато в ячейке с алмазной наковальней, произошло «поразительное визуальное преобразование»: от синего 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» (reddmatter). Кодовое название прижилось.
Давление в 10 194 килограммов на квадратный сантиметр, необходимое для индукции сверхпроводимости, почти на два порядка ниже, чем предыдущее низкое давление, созданное в лаборатории Ранга Диаса.
Алгоритмы машинного обучения для прогнозирования новых сверхпроводящих материалов
Лаборатория Диаса 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 Ранга Диас. «Мы считаем, что сейчас мы находимся в современной эре сверхпроводимости».
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.
Особенно захватывающей, по словам Диаса, является возможность обучения алгоритмов машинного обучения на основе накопленных данных экспериментов со сверхпроводимостью в его лаборатории для прогнозирования других возможных сверхпроводящих материалов — по сути, смешивания и подбора из тысяч возможных комбинаций редкоземельных металлов, азота, водорода и углерода.
«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. «Точно так же, как мы используем разные металлы для разных приложений, нам нужно больше сверхпроводников для разных приложений».
Соавтор исследования Кит Лоулор уже приступил к разработке алгоритмов и проведению расчетов с использованием суперкомпьютерных ресурсов, доступных в Центре интегрированных исследовательских вычислений Университета Рочестера.