Представиха нов свръхпроводник работещ при стайна температура

Свръхпроводимостта обикновено се проявява при много ниски температури, близки до абсолютната нула, което силно ограничава практическото приложение на материалите с тази особеност. Екип изследователи от Университета в Рочестър съобщи, че е успял да създаде нов свръхпроводим материал – легиран с азот лутециев хидрид, който става свръхпроводим при много по-достъпни температури и налягане. Техният пробив може да доведе до революция в потребителската електроника и да подобри магнитното удържане на плазмата в термоядрените реактори тип Токамак.

Свръхпроводникът е метал, който провежда електрически ток без каквото и да било съпротивление. Ползите от използването на такъв материал очевидно са огромни: представете си, че можете да предавате електрическа енергия на разстояния от хиляди километри почти без загуби! За съжаление понастоящем свръхпроводимостта се наблюдава само при ниски температури и/или много високо налягане – условия, които в редица случаи са твърде трудни за реализиране. От няколко години учените в областта на материалознанието се опитват да преодолеят тази ограничаваща бариера.

Конвенционалната свръхпроводимост се проявява при около -273,15 °C. В резултат на десетилетия изследвания през 80-те години на миналия век бяха открити така наречените „високотемпературни свръхпроводници“ (от порядъка на -140 °C) при атмосферно налягане; тези материали принадлежат към класа на купратите. През 2000 г. бяха открити нови химични съединения на базата на желязо, които също проявяват свръхпроводими свойства при тези температури. Неотдавна бяха поставени два температурни рекорда: през 2015 г. със серен хидрид при -70 °C (при 90 GPa) и през 2018 г. с лантанов декахидрид при -13 °C (и 188 GPa).

Смес от редкоземни метали, водород и азот

Към настоящия момент не съществува свръхпроводим материал при температура и налягане колкото на околната среда. Изследователи от Университета в Рочестър заявиха, че са с една стъпка по-близо до тази крайна цел: в списание Nature те съобщиха, че са създали легиран с азот лутециев хидрид, който демонстрира свръхпроводимост при температура 294 K (20,8 °C) и налягане от 10 килобара (или 1 GPa).

„С появата на този материал настъпи зората на свръхпроводимостта в приложните науки и технологии при температура на околната среда“ – споделя Ранга Диас, доцент по машинно инженерство и физика, който е ръководител на изследването.

Вярно е, че налягането от 1 GPa все още е сравнително високо (като се има предвид, че средното налягане на морското равнище е 1013,25 hPa, или 10 000 пъти по-малко!). Въпреки това съществуват широко използвани методи, особено в производството на микрочипове, за свързване на различни материали при още по-високи вътрешни налягания.

Хидридите, създадени чрез комбиниране на редкоземни метали с водород, с последващо добавяне на азот или въглерод, от няколко години са в основата на работата на редица учени в областта на материалознанието. Тези хидриди образуват рамкови структури, в които йоните на редкоземните метали действат като донори на заряд, осигурявайки достатъчно електрони, за да подпомогнат дисоциацията на водородните молекули , а азотът и въглеродът помагат за стабилизирането на материала.

„Материалът, използван в новото изследване, е легиран с азот лутециев хидрид (NDLH). Лутецият е много подходящ кандидат: електронната му конфигурация е такава, че насърчава електронно-фононната връзка, необходима за постигане на свръхпроводимост при стайна температура“, обяснява Диас. „Остава да се намери начин да се намали необходимото налягане“.

За целта екипът се насочва към азота. Подобно на въглерода, той има твърда атомна структура, която спомага за стабилизирането на мрежата във вътрешността на материала. Тази структура осигурява стабилността, необходима за появата на свръхпроводимост при относително ниско налягане.

Удивителната промяна на цвета

Изследователите са създали газова смес, състояща се от 99% водород и 1% азот, която са поставили в реакционна камера с проба от чист лутеций; компонентите са били оставени да реагират в продължение на от два до три дни при температура 200 °C. След това полученото съединение е пресовано в диамантена камера. Именно тогава изследователите стават свидетели на поразителна визуална трансформация: първоначално синият материал придобива розов оттенък в началото на свръхпроводимостта, а след това става яркочервен, когато достига метално състояние без свръхпроводимост.

За предизвикване на свръхпроводимост е необходимо налягане от 1 GPa – почти два порядъка (сто пъти!) по-ниско от налягането, използвано при предишните експерименти.

Учените се интересуват изключително много от свръхпроводящите материали, защото те притежават две важни свойства: нулево електрическо съпротивление и изместване на всякакво магнитно поле от вътрешността на материала (явление, известно като ефекта на Майснер). Тези две свойства предполагат огромен технологичен напредък: пренос на електроенергия без загуби, разработване на влакове на магнитни възглавници, подобрено магнитно удържане на плазма в термоядрените реактори и още много други.

Диас говори и за възможността за обучението на алгоритми с машинно обучение въз основа на данните, натрупани от експериментите със свръхпроводници в неговата лаборатория, което може да помогне за откриването на други потенциални свръхпроводящи материали чрез тестване на различни комбинации от редкоземни елементи, водород, азот и въглерод. Целта е да се създадат различни видове свръхпроводници.

„В ежедневието използваме множество различни метали за най-различни цели, така че ще се нуждаем и от различни видове свръхпроводящи материали“, заключава той.