Ehdotus suprajohtavuustutkimuksen edistämiseksi

Illinoisin yliopiston Chicagon jatko-opiskelijan suunnittelemat uudet materiaalit voivat auttaa tutkijoita kohtaamaan yhden nykypäivän suurimmista haasteista: rakentamaan suprajohteita, jotka toimivat normaaleissa lämpötiloissa ja paineissa.

Tiedemiehet ympäri maailmaa etsivät materiaaleja, jotka voisivat osoittaa suprajohtavuutta "erittäin korkeissa" lämpötiloissa - tässä yhteydessä lähempänä huoneen lämpötilaa - ilman superjäähdytystä.

Proceedings of the National Academy of Sciences -julkaisussa Adam Denchfield ja joukko UIC:n tutkijoita ehdottivat kolmea lupaavaa uutta mallia suprajohtaville materiaaleille. Tietokonesimulaatioissa mallit osoittavat joitakin ominaisuuksia, joita tarvitaan erittäin korkean lämpötilan suprajohtavuuteen.

Vuonna 2023 joukko tutkijoita julkaisi kiistanalaisen artikkelin suprajohtavasta materiaalista, joka sisältää harvinaista maametallia nimeltä lutetium, joka toimii lähellä ympäristön lämpötilaa ja ilmanpainetta. Kiista inspiroi Denchfieldiä tutkimaan aikaisempaa kirjallisuutta heidän kuvaamasta materiaalityypistä, jota kutsutaan harvinaisten maametallien trihydrideiksi.

"Katsoin tuloksia ja olin yhtä skeptinen kuin monet muut alan työntekijät", Denchfield sanoi. "Niinpä lähdin tutkimaan kirjallisuutta etsiäkseni vaihtoehtoisia selityksiä ja löysin 1960-luvun lopulla tutkimuksia, joissa tutkittiin harvinaisten maametallien trihydridejä."

Nämä vanhemmat tutkimukset osoittivat hyvin outoja muutoksia materiaalien sähkönjohtavuudessa jäähtyessään, joita ei vieläkään täysin ymmärretä. Denchfield havaitsi, että lutetiumatomien erityisjärjestelyt yhdessä vedyn ja typen kanssa voivat saada materiaalin näyttämään kiehtovia ominaisuuksia, mukaan lukien korkean lämpötilan suprajohtavuus.

Hänen tutkimuksensa johti lopulta paperiin lupaavasta lutetium-vety-typpi -yhdisteestä ja kokeellisiin tuloksiin, jotka olivat yhdenmukaisia suprajohtavuuden kanssa.

Mutta Denchfield ei pysähtynyt tähän. Hän alkoi tutkia, voisivatko muut harvinaisten maametallien hydridiyhdistelmät ja -rakenteet, kuten lutetiumin korvaaminen sen jaksollisen järjestelmän serkuilla, yttriumilla ja skandiumilla, toimia vielä paremmin. Tavoitteena nostaa suprajohtavaa lämpötilaa mahdollisimman paljon, hän laskeutui kolmentyyppisiin kuutiorakenteisiin, jotka pystyivät tuottamaan haluttuja ominaisuuksia simulaatioissa.

"Periaatteessa esitimme kolmea yhä monimutkaisempaa mallirakennetta, joita haluamme muiden ihmisten pystyvän sotkemaan, yhdistämään ja toistamaan erilaisien elementtejä kanssa", Denchfield sanoi. "Kuvaisin tätä tutkivaksi paperiksi, motivoivaksi ja inspiroivaksi työksi, jonka pitäisi innostaa etsimään kokonaan uutta luokkaa rakenteita, jotka voisivat olla erittäin korkean lämpötilan suprajohteita."

Paperissa kuvatut materiaalimallit saavuttavat kriittisen lämpötilan - pisteen, jossa suprajohtavat ominaisuudet näkyvät - yli 200 Kelvin-astetta, mikä vastaa -73 Celsius -astetta. Denchfield toteaa, että jotkut mallit voisivat saavuttaa suprajohtavuuden "pyhän maljan" ympäristön paineessa ja huoneenlämpötiloissa.

Ennusteiden tarkistamiseksi uusien mallien materiaalit on vielä syntetisoitava laboratoriossa ja testattava.

Aiheesta aiemmin:

Suprajohteita vaikka atomi kerrallaan

Topologinen suprajohtavuus ilman suprajohteita