Supraconductor fierbinte sub presiune ridicată
15 octombrie 2020 - La temperatura camerei, hidrura de sulf conținând carbon într-o celulă de nicovală diamantată prezintă o conducție de curent fără rezistență.
De zeci de ani, fizicienii în stare solidă caută superconductori cu temperaturi de tranziție din ce în ce mai mari. Oxizii de cupru ceramici trec la starea supraconductoare la presiune normală de la 138 Kelvin. Pe de altă parte, sub presiuni ridicate, compușii bogați în hidrogen ating temperaturi de tranziție și mai ridicate. Acum fizicienii care lucrează cu Ranga Dias de la Universitatea Rochester au reușit pentru prima dată să dezvolte un supraconductor la o temperatură rece a camerei de 288 Kelvin. Pentru a face acest lucru, totuși, hidrura de sulf conținând carbon a trebuit să fie comprimată într-o celulă de nicovală diamantată cu 267 gigapascali.
Dias și colegii săi și-au concentrat cercetările pe hidrogen. „Pentru că pentru a obține un superconductor la temperaturi ridicate, aveți nevoie de legături puternice și elemente ușoare”, spune Dias. Moleculele de hidrogen cu legăturile lor chimice puternice îndeplinesc exact aceste condiții. Deoarece hidrogenul pur este dificil de transformat într-o stare metalică chiar și sub presiune ridicată, cercetătorii au sintetizat un compus de sulf care era bogat în hidrogen și conținea și carbon. Pentru a face acest lucru, au presat mai întâi sulful elementar și carbonul împreună într-un raport molar echilibrat în celula matriței de diamant. Apoi au lăsat să curgă hidrogen gazos în jurul acestei probe. Un proces fotochimic a început sub lumina laserului, care a produs apoi hidrura de sulf bogată în carbon.
Pentru a converti acest material într-un supraconductor, erau necesare presiuni extrem de mari. Prin urmare, Dias și colegii au exercitat o presiune de până la 267 gigapascali asupra eșantionului, care este de aproximativ 2,5 milioane de ori mai mare decât presiunea atmosferică. Sub această presiune, proprietățile electronice ale materialului s-au schimbat dramatic. Hidrura de sulf a prezentat o conducție de curent fără rezistență chiar și la 287,7 Kelvin - adică la temperatura camerei - care ar putea fi măsurată cu electrozi de platină conectați. Într-un alt test supraconductor, cercetătorii au căutat o tranziție diamagnetică în sensibilitatea magnetică. Odată cu creșterea presiunii, o scădere clară a susceptibilității sa mutat la temperaturi din ce în ce mai ridicate. Au demonstrat cea mai mare temperatură de tranziție la 198 Kelvin și o presiune de 189 gigapascali. Nici presiuni mai mari nu au putut fi acumulate experimental în acest test de câmp magnetic din cauza dimensiunii reduse a eșantionului de 25 până la 35 micrometri.
Acest experiment arată că compușii bogați în hidrogen formează de fapt baza pentru supraconductori metalici din ce în ce mai fierbinți. Înainte de aceasta, grupul de lucru din jurul lui Mikhail Eremets de la Institutul de chimie Max Planck din Mainz deținea recordul de temperatură. Într-un experiment de înaltă presiune anul trecut, au arătat, de asemenea, că hidrura de lantan (LaH10) nu mai prezintă rezistență electrică la temperatura critică de minus 23 de grade Celsius și 170 gigapascali. Deoarece superconductivitatea nu poate fi demonstrată în mod clar doar cu măsurători de rezistență, cercetătorii au efectuat și măsurători suplimentare ale câmpului magnetic. Ei au observat că un câmp magnetic perturbă supraconductivitatea, schimbând tranziția la temperaturi mai scăzute. Cu câțiva ani mai devreme, Eremets și colegii săi au descoperit că sulfura de hidrogen devine supraconductoare sub 250 gigapascali de presiune la minus 70 grade Celsius.
Dar, în ciuda temperaturii ridicate de tranziție, noua hidrură de sulf bogată în carbon nu este potrivită nici pentru liniile electrice. Deoarece din punct de vedere tehnic, astfel de presiuni ridicate pot fi realizate numai cu probe mici în celule de nicovală diamantate. Cu toate acestea, Dias este optimist să fie pe drumul cel bun cu compușii săi bogați în hidrogen. Prin schimbarea compoziției compușilor hidruri, el speră să poată aborda un superconductor la temperatura camerei și în același timp la presiuni tot mai mici. Dacă acest lucru va reuși, nu va atrage numai linii electrice fără pierderi, ceea ce ar putea salva un număr mare de centrale electrice. Astfel de supraconductori fierbinți ar putea fi, de asemenea, de interes pentru trenurile de levitație magnetică, tomografe cu rezonanță magnetică mai puternice și chiar tipuri speciale de computere cuantice.