Naujo tyrimo, kuriam vadovauja mechanikos inžinerijos ir fizikos bei astronomijos asist. profesorius Ranga Diasas, tikslas – kurti kambario temperatūroje superlaidžias medžiagas. Dabar pasiekti superlaidumą įmanoma tik labai smarkiai atšaldžius medžiagą, kaip matome R.Diaso laboratorijos nuotraukoje, kur magnetas kybo virš skystu azotu šaldomo superlaidininko.
„Nature“ žurnalo viršelyje pristatytas darbas atliktas R.Diaso, mechanikos inžinerijos ir fizikos bei astronomijos asist. profesoriaus laboratorijoje.
R.Diasas sako, kad kambario temperatūroje superlaidžių medžiagų – neturinčių elektrinės varžos ir išstumiančių iš savęs magnetinį lauką – sukūrimas yra kondensuotos būsenos fizikos „šventasis gralis“. Ilgiau nei šimtą metų ieškotos, tokios medžiagos „tikrai gali pakeisti mums pažįstamą pasaulį“, – sako R.Diasas.
Naują rekordą R.Diaso vadovaujama tyrėjų grupė pasiekė fotochemiškai sujungusi anglį su vandeniliu ir siera į paprastą organinį anglingą sieros hidridą (CH₈S), kurį deimantiniu priekalu labai stipriai suspaudė.
Anglingame sieros hidride superlaidumas pasireiškė maždaug 58°F temperatūroje (288 K, ~14°C) ir maždaug 269 GPa slėgyje. Tai yra pirmasis kartas, kai superlaidi medžiaga medžiaga užfiksuota kambario temperatūroje.
„Dėl tokios žemos temperatūros ribojimų tokių ypatingų savybių medžiagos dar netransformavo pasaulio taip, kaip daugelis įsivaizdavo. Tačiau mūsų atradimas šiuos barjerus nugriaus ir atvers duris daugeliui potencialių panaudojimų“, – sako R.Diasas, taip pat prisidedantis ir prie to paties universiteto vykdomų Medžiagų mokslo ir Aukšto energijos tankio fizikos programų.
Galimi pritaikymai:
- Elektros tiekimo linijos, kuriose dėl varžos nebūtų prarandama iki 200 milijonų megavatvalandžių (MWh) energijos.
- Naujas būdas varyti levituojančius traukinius ir kitas transporto priemones.
- Medicininės vaizdo ir skenavimo technikos, tokios, kaip MRI ir magnetografija
- Greitesnė, efektyvesnė skaitmeninės logikos ir atminties įrenginių elektronikos technologija.
„Gyvename puslaidininkių visuomenėje, ir tokia technologija gali perkelti mus į superlaidumo visuomenę, kur nereikės tokių dalykų, kaip baterijos“, – sako atradimo bendraautorė Ashkan Salamat iš Nevados universiteto Las Vegase.
Deimantiniu priekalu sukuriamos superlaidžios medžiagos kiekiai matuojami pikolitrais — maždaug tokio dydžio yra rašalinio spausdintuvo dažų lašeliai.
Kitas iššūkis – rasti būdą, kaip gaminti kambario temperatūros superlaidininką mažesniame slėgyje, kad jį būtų ekonomiška gaminti didesniais kiekiais.
Kodėl svarbi kambario temperatūra
Pirmą kartą 1911 metais atrastas fizikos reiškinys – superlaidumas – medžiagoms suteikia dvi svarbiausias savybes: dingsta elektrinė varža ir dėl Meissnerio efekto iš medžiagos išstumiamas magnetinis laukas. Magnetinio lauko linijos turi eiti aplink superlaidininką, todėl tokios medžiagos gali levituoti, kas galėtų būti panaudota greitaeigiams traukiniams be trinties su bėgiais – vadinamiesiems maglev (magnetinės levitacijos) traukiniams.
Galingi superlaidūs elektromagnetai jau dabar yra kritiškai svarbus maglev traukinių, magnetinio rezonanso (MRI) ir branduolių magnetinio rezonanso (NMR) aparatuose, dalelių greitintuvuose ir kitose pažangiose technologijose, įskaitant ir ankstyvuosius kvantinius kompiuterius.
Bet šiuose įtaisuose naudojamas superlaidžias medžiagas reikia atšaldyti iki temperatūrų, kurios yra daug žemesnės, nei natūraliai įprasta bet kurioje Žemės vietoje. Tai labai pabrangina jų eksploatavimą. „Šių medžiagų laikymas kriogeninėse temperatūrose yra toks brangus, kad iki galo išnaudoti jų potencialą nepavyksta“, – pažymi R.Diasas.
Ankstesnį aukščiausios superlaidininko temperatūros rekordą pernai pasiekė Michailo Jeremeco, dirbusio Maxo Plancko chemijos institute Maince (Vokietija) ir Russello Hemley grupė Ilinojaus universitete Čikagoje. Ši komanda pranešė pasiekusi lantano superhidrido superlaidumą nuo -10 iki 8 °F (nuo – 23,3 iki – 13,3 °C) temperatūroje.
Pastaraisiais metais kaip potencialius aukštų temperatūrų superlaidininkų kandidatus tyrėjai bandė vario oksidus ir geležies turinčius junginius. Tačiau vandenilis — labiausiai paplitęs elementas Visatoje – irgi regisi perspektyvus.
„Norint gauti aukštos temperatūros superlaidininką, reikia stipresnių jungčių ir lengvų elementų. Tai yra du svarbiausi kriterijai“, – pabrėžia R.Diasas. Vandenilis yra lengviausia medžiaga, o vandenilio jungtis yra viena iš stipriausių.
„Teoriškai spėjama, kad metalinio vandenilio aukšta Debye temperatūra ir stiprus elektronų-fononų susiporavimas, kas yra būtinos kambario temperatūros superlaidumo sąlygos“, – sako R.Diasas.
Tačiau norint gryną vandenilį paversti metaliniu, ką pirmą kartą 2017 metais atliko Harvardo universiteto (JAV) profesorius Isaacas Silvera ir tuo metu jo laboratorijoje pagal podoktorantūrinių studijų programą dirbęs R.Diasas, reikia labai didelio slėgio.
Paradigmos poslinkis
Taigi, R.Diaso laboratorija Ročesterio universitete atliko „paradigmos poslinkį“, kaip alternatyvą panaudodama daug vandenilio turinčias medžiagas, kuriose pamėgdžiojama sunkiai pasiekiama superlaidaus vandenilio fazė, ir kurias galima metalizuoti daug mažesniame slėgyje.
Iš pradžių laboratorija sujungė itrį ir vandenilį. Gautas itrio superhidridas superlaidžiu tapo tuomet rekordinėje ~12 °F (apie -11 °C) temperatūroje ir maždaug 26 milijonų psi (maždaug 1,8 mln. atmosferų) slėgyje.
Vėliau laboratorija nagrinėjo kovalentinius daug vandenilio turinčius organinius junginius.
Iš čia radosi anglingas sieros hidridas. „Anglis čia vaidina itin svarbų vaidmenį“, – tvirtina atradimo autoriai. Toliau „derinant kompoziciją“ tikriausiai galima būtų pasiekti netgi dar aukštesnę temperatūrą, priduria jie.
R.Diasas ir A.Salamat įkūrė naują įmonę, „Unearthly Materials“, kuri ieškos, kaip būtų galima kurti kambario temperatūros superlaidininkus prieinamame slėgyje.
