Nadprzewodnik temperatury pokojowej - Room-temperature superconductor

Nadprzewodnik pokojowej temperatury jest materiałem, który jest zdolny do wykazywania nadprzewodnictwo w temperaturach roboczych powyżej 0 ° C (273 K, 32 ° C), to jest temperatura, która może być osiągnięta i utrzymywana łatwo w środowisku codziennym. Od 2020 r. materiałem o najwyższej dopuszczalnej temperaturze nadprzewodnictwa jest ekstremalnie ciśnieniowy węglowy wodorek siarki o krytycznej temperaturze przejścia +15°C przy 267 GPa.

Pod ciśnieniem atmosferycznym rekord temperatury jest nadal utrzymywany przez miedziany , które wykazały nadprzewodnictwo w temperaturach do 138 K (-135 ° C).

Chociaż naukowcy kiedyś wątpili, czy nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest rzeczywiście osiągalne, nadprzewodnictwo było wielokrotnie odkrywane w temperaturach, które wcześniej były nieoczekiwane lub uważane za niemożliwe.

Twierdzenia o efektach przejściowych „temperatury zbliżonej do pokojowej” pochodzą z wczesnych lat pięćdziesiątych. Znalezienie nadprzewodnika w temperaturze pokojowej „miałoby ogromne znaczenie technologiczne i, na przykład, pomogłoby rozwiązać światowe problemy energetyczne, zapewnić szybsze komputery, umożliwić nowatorskie urządzenia do przechowywania pamięci i umożliwić ultraczułe czujniki, wśród wielu innych możliwości”.

Nierozwiązany problem w fizyce :

Czy możliwe jest wykonanie materiału będącego nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym?

Raporty

Od czasu odkrycia nadprzewodników wysokotemperaturowych zgłoszono kilka materiałów, które są nadprzewodnikami w temperaturze pokojowej , chociaż większość z tych doniesień nie została potwierdzona.

W 2000 roku, podczas gdy ekstrakcję elektronów z diamentu podczas implantacji jonowej pracy Johan Prins twierdził, że obserwuje się zjawisko, że wyjaśnione nadprzewodnictwa temperaturze pokojowej w fazie utworzonej na powierzchni tlenu typu domieszkowanego diamentów IIa w 10 -6  mbar próżni .

W 2003 r. grupa naukowców opublikowała wyniki dotyczące nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w wodorku palladu (PdH x : x>1) oraz wyjaśnienie w 2004 r. W 2007 r. ta sama grupa opublikowała wyniki sugerujące nadprzewodnikową temperaturę przejścia 260 K. Krytyczne znaczenie nadprzewodnictwa temperatura wzrasta wraz ze wzrostem gęstości wodoru wewnątrz sieci palladowej. Ta praca nie została potwierdzona przez inne grupy.

W 2012 roku artykuł w Advanced Materials twierdził, że proszek grafitowy ma nadprzewodnictwo po obróbce czystą wodą w temperaturach do 300 K i wyższych. Jak dotąd autorom nie udało się wykazać występowania wyraźnej fazy Meissnera i zanikania odporności materiału.

W 2014 roku artykuł opublikowany w Nature sugerował, że niektóre materiały, w szczególności YBCO ( tlenek itru baru i miedzi ), mogą być nadprzewodnikami w temperaturze pokojowej za pomocą impulsów lasera podczerwonego .

W 2015 roku artykuł opublikowany w Nature przez naukowców z Instytutu Maxa Plancka sugerował, że w pewnych warunkach, takich jak ekstremalne ciśnienie, H 2 S przechodzi w nadprzewodzącą formę H 3 S przy 150 GPa (około 1,5 miliona razy większe od ciśnienia atmosferycznego) w diamentowej komórce kowadła . Temperatura krytyczna wynosi 203 K (−70 ° C), co byłoby najwyższą odnotowaną T c , a ich badania sugerują, że inne związki wodoru mogą nadprzewodzić w temperaturze do 260 K (−13 ° C), co zgadzałoby się z oryginalnymi badaniami Ashcrofta.

W 2018 r. Dev Kumar Thapa i Anshu Pandey z Solid State and Structural Chemistry Unit indyjskiego Instytutu Nauki w Bangalore stwierdzili obserwację nadprzewodnictwa pod ciśnieniem otoczenia i w temperaturze pokojowej w filmach i granulkach nanostrukturalnego materiału składającego się z cząstek srebra osadzony w złotej matrycy. Ze względu na podobne wzorce szumów rzekomo niezależnych wykresów oraz brak recenzji naukowej w publikacji , wyniki zostały zakwestionowane. Chociaż naukowcy potwierdzili swoje odkrycia w późniejszym artykule w 2019 roku, to twierdzenie nie zostało jeszcze zweryfikowane i potwierdzone.

Również w 2018 roku naukowcy zauważyli możliwą fazę nadprzewodzącą w temperaturze 260 K (-13 ° C) w dekawodorku lantanu przy podwyższonym ciśnieniu (200  GPa ).

W 2019 roku materiałem o najwyższej akceptowanej temperaturze nadprzewodnictwa był wysokociśnieniowy dekawodorek lantanu (LaH 10 ), którego temperatura przejścia wynosi około 250 K (−23 °C).

W październiku 2020 r. zgłoszono nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej w temperaturze 288 K (w temperaturze 15 °C) w węglowym wodorku siarki pod bardzo wysokim ciśnieniem (267 GPa) wywołanym do krystalizacji za pomocą zielonego lasera.

W marcu 2021 r. w ogłoszeniu podano nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej w warstwowym materiale itrowo-palladowo-hydronowym w temperaturze 262 K i ciśnieniu 187 GPa. Pallad może działać jako katalizator migracji wodoru w materiale.

Teorie

Prace teoretyczne brytyjskiego fizyka Neila Ashcrofta przewidywały, że stały metaliczny wodór pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem (~500  GPa ) powinien stać się nadprzewodnikiem w temperaturze zbliżonej do temperatury pokojowej ze względu na niezwykle dużą prędkość dźwięku i oczekiwane silne sprzężenie między elektronami przewodzącymi a drganiami sieci ( fonony ). Ta prognoza nie została jeszcze zweryfikowana doświadczalnie, ponieważ ciśnienie potrzebne do uzyskania metalicznego wodoru nie jest znane, ale może być rzędu 500  GPa .

Zespół z Uniwersytetu Harvarda twierdził, że wytwarza metaliczny wodór i podaje ciśnienie 495 GPa. Chociaż dokładna temperatura krytyczna nie została jeszcze określona, ​​słabe oznaki możliwego efektu Meissnera i zmiany podatności magnetycznej w 250K mogły pojawić się we wczesnych testach magnetometrycznych na oryginalnej, teraz utraconej próbce i są analizowane przez francuski zespół pracujący z pączkiem kształty, a nie płaskie na końcach diamentowych kulek.

W 1964 roku William A. Little zaproponował możliwość nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w polimerach organicznych . Ta propozycja opiera się na parowaniu elektronów za pośrednictwem ekscytonu , w przeciwieństwie do parowania za pośrednictwem fononu w teorii BCS .

W 2004 roku Ashcroft powrócił do swojego pomysłu i zasugerował, że związki bogate w wodór mogą stać się metaliczne i nadprzewodnikowe przy niższych ciśnieniach niż wodór. Dokładniej, zaproponował nowy sposób chemicznej kompresji wodoru poprzez badanie wodorków IVa.

W 2016 roku badania zasugerowały związek między wodorkiem palladu zawierającym małe zanieczyszczenia nanocząstek siarki jako prawdopodobne wyjaśnienie anomalnych przejściowych spadków odporności obserwowanych podczas niektórych eksperymentów, a absorpcją wodoru przez miedziany sugerowano w świetle wyników z 2015 roku w H 2 S jako wiarygodne wyjaśnienie przejściowych spadków odporności lub „USO” zauważonych w latach 90. przez Chu et al. podczas badań po odkryciu YBCO . Możliwe jest również, że jeśli wyjaśnienie bipolaronu jest poprawne, normalnie półprzewodnikowy materiał może przejść w pewnych warunkach w nadprzewodnik, jeśli zostanie przekroczony krytyczny poziom przemiennego sprzężenia spinowego w pojedynczej płaszczyźnie w sieci; mogło to być udokumentowane w bardzo wczesnych eksperymentach z 1986 roku. Najlepszą analogią byłaby tutaj magnetooporność anizotropowa , ale w tym przypadku wynikiem jest raczej spadek do zera niż spadek w bardzo wąskim zakresie temperatur dla badanych związków podobnych do „ re -wchodzący nadprzewodnictwo ”.

W 2018 r. znaleziono wsparcie dla elektronów o nietypowych stanach spinu 3/2 w YPtBi. Chociaż YPtBi jest nadprzewodnikiem o stosunkowo niskiej temperaturze, sugeruje to inne podejście do tworzenia nadprzewodników.

Odkryto również, że wiele nadprzewodników, w tym miedziany i pniktydy żelaza , posiada dwa lub więcej konkurujących ze sobą mechanizmów walczących o dominację ( fala gęstości ładunku ) i stany ekscytonowe, tak jak w przypadku organicznych diod elektroluminescencyjnych i innych układów kwantowych, dodając odpowiedni katalizator spinowy może sam zwiększyć T c . Możliwym kandydatem byłby iryd lub złoto umieszczone w niektórych sąsiednich cząsteczkach lub jako cienka warstwa powierzchniowa, tak aby prawidłowy mechanizm rozprzestrzeniał się w całej sieci, podobnie jak przejście fazowe. Jak dotąd jest to spekulacja; Niektóre czyniono wysiłki, zwłaszcza dodawanie ołowiu do BSCCO , który jest dobrze znany na promowanie wysokiej T c faz za pomocą chemii sam. Jednak efekty relatywistyczne podobne do tych występujących w akumulatorach kwasowo-ołowiowych mogą być odpowiedzialne, sugerując, że podobny mechanizm w miedzianach opartych na rtęci lub talu może być możliwy przy użyciu podobnego metalu, takiego jak cyna .

Każdy taki katalizator musiałby być niereaktywny chemicznie, ale mieć właściwości, które wpływają na jeden mechanizm, ale nie na inne, a także nie zakłócają kolejnych etapów wyżarzania i natleniania ani nie zmieniają nadmiernie rezonansów sieci. Możliwym obejściem omawianych problemów byłoby użycie silnych pól elektrostatycznych do utrzymywania cząsteczek na miejscu podczas jednego z etapów, aż do utworzenia sieci.

Niektóre wysiłki badawcze zmierzają obecnie w kierunku nadwodorków trójskładnikowych , gdzie przewiduje się, że Li 2 MgH 16 będzie miał T c 473 K (200 °C) przy 250 GPa (znacznie gorętszy niż normalnie uważany za temperaturę pokojową).

Zobacz też

Bibliografia