Nadprzewodnik w temperaturze pokojowej
Nadprzewodnik w temperaturze pokojowej to materiał, który może wykazywać nadprzewodnictwo w temperaturach roboczych powyżej 0 ° C (273 K; 32 ° F), czyli w temperaturach, które można osiągnąć i łatwo utrzymać w codziennym środowisku. Od 2020 r. Materiałem o najwyższej akceptowanej temperaturze nadprzewodnictwa jest węglowodorek siarki pod ekstremalnym ciśnieniem o krytycznej temperaturze przejścia +15 ° C przy 267 GPa. W dniu 22 września 2022 r. Oryginalny artykuł opisujący nadprzewodnictwo w węglowodorowym wodorku siarki został wycofany przez Nature redakcji czasopisma ze względu na niestandardową, zdefiniowaną przez użytkownika analizę danych, podważającą naukową zasadność twierdzenia.
Przy ciśnieniu atmosferycznym rekord temperatury jest nadal utrzymywany przez miedziany , które wykazały nadprzewodnictwo w temperaturach sięgających 138 K (-135 ° C).
Chociaż naukowcy wątpili kiedyś, czy nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest rzeczywiście osiągalne, nadprzewodnictwo było wielokrotnie odkrywane w temperaturach, które wcześniej były nieoczekiwane lub uważane za niemożliwe.
Twierdzenia o przejściowych efektach „temperatury bliskiej pokojowi” pochodzą z wczesnych lat pięćdziesiątych. Znalezienie nadprzewodnika o temperaturze pokojowej „miałoby ogromne znaczenie technologiczne i na przykład pomogłoby rozwiązać światowe problemy energetyczne, zapewnić szybsze komputery, umożliwić nowatorskie urządzenia do przechowywania pamięci i ultraczułe czujniki, a także wiele innych możliwości”.
Czy możliwe jest wyprodukowanie materiału będącego nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym?
Raporty
Od czasu odkrycia nadprzewodników wysokotemperaturowych zgłoszono, że kilka materiałów jest nadprzewodnikami pracującymi w temperaturze pokojowej , chociaż większość z tych doniesień nie została potwierdzona. [ potrzebne źródło ]
W 2000 roku, podczas ekstrakcji elektronów z diamentu podczas prac związanych z implantacją jonów , Johan Prins twierdził, że zaobserwował zjawisko, które wyjaśnił jako nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej w fazie utworzonej próżni na 10-6 mbar powierzchni diamentów typu IIa domieszkowanych tlenem w .
W 2003 roku grupa naukowców opublikowała wyniki dotyczące nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w wodorku palladu (PdH x : x>1) oraz wyjaśnienie w 2004 roku. W 2007 roku ta sama grupa opublikowała wyniki sugerujące temperaturę przejścia w nadprzewodnictwo na poziomie 260 K. temperatura krytyczna wzrasta wraz ze wzrostem gęstości wodoru wewnątrz sieci palladu. Ta praca nie została potwierdzona przez inne grupy.
W 2012 roku w artykule Advanced Materials stwierdzono nadprzewodzące zachowanie proszku grafitowego po obróbce czystą wodą w temperaturach sięgających 300 K i wyższych. [ niewiarygodne źródło? ] Jak dotąd autorom nie udało się wykazać występowania wyraźnej fazy Meissnera i zaniku rezystancji materiału.
W 2014 roku artykuł opublikowany w Nature zasugerował, że niektóre materiały, w szczególności YBCO ( tlenek itrowo-barowo-miedziowy ), można przekształcić w nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej za pomocą impulsów lasera na podczerwień .
W 2015 r. artykuł opublikowany w Nature przez naukowców z Instytutu Maxa Plancka sugerował, że w pewnych warunkach, takich jak ekstremalne ciśnienie, H
2 S przechodził w nadprzewodzącą postać H
3 S przy 150 GPa (około 1,5 miliona razy ciśnienie atmosferyczne) w diamentowej komórce kowadła . Krytyczna temperatura wynosi 203 K (-70 ° C), co byłoby najwyższą Tc , jaką kiedykolwiek zarejestrowano, a ich badania sugerują, że inne związki wodoru może przewodzić nadprzewodnictwo w temperaturze do 260 K (-13 ° C), co odpowiadałoby pierwotnym badaniom Ashcrofta.
W 2018 roku Dev Kumar Thapa i Anshu Pandey z Wydziału Ciała Stałego i Chemii Strukturalnej Indyjskiego Instytutu Nauki w Bangalore stwierdzili obserwację nadprzewodnictwa pod ciśnieniem otoczenia i temperaturą pokojową w filmach i granulkach nanostrukturalnego materiału składającego się z cząstek srebra osadzony w złotej matrycy. Ze względu na podobne schematy szumów rzekomo niezależnych działek i brak recenzji publikacji , wyniki zostały zakwestionowane. Chociaż naukowcy potwierdzili swoje odkrycia w późniejszym artykule z 2019 r., twierdzenie to nie zostało jeszcze zweryfikowane i potwierdzone. [ potrzebne źródło ]
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 ( La H
10 ), którego temperatura przejścia wynosi około 250 K (−23 °C).
W październiku 2020 r. Zgłoszono nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej przy 288 K (w 15 ° C) w węglowodorku siarki pod bardzo wysokim ciśnieniem (267 GPa) wyzwalanym do krystalizacji za pomocą zielonego lasera. Artykuł został wycofany w 2022 r., ponieważ pojawiły się wątpliwości co do metod statystycznych zastosowanych przez autorów do uzyskania wyniku.
W marcu 2021 r. W ogłoszeniu podano nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej w warstwowym materiale itrowo-palladowo-wodorowym przy 262 K i ciśnieniu 187 GPa. Pallad może działać jako katalizator migracji wodoru w materiale.
z wodorku lutetu domieszkowanego azotem odnotowano nadprzewodnictwo w temperaturze 294 K i ciśnieniu 1 GPa . Twierdzenie spotkało się z pewnym sceptycyzmem, ponieważ zostało wysunięte przez ten sam zespół, który złożył podobne twierdzenia, wycofane przez Nature w 2022 roku.
teorie
Teoretyczne prace brytyjskiego fizyka Neila Ashcrofta przewidywały, że stały metaliczny wodór pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem (~ 500 GPa ) powinien stać się nadprzewodnikiem w temperaturze w przybliżeniu w temperaturze pokojowej ze względu na jego niezwykle dużą prędkość dźwięku i spodziewane silne sprzężenie między elektronami przewodzącymi a wibracjami sieci ( fonony ). Ta prognoza nie została jeszcze zweryfikowana eksperymentalnie, ponieważ ciśnienie potrzebne do uzyskania metalicznego wodoru nie jest znane, ale może być rzędu 500 GPa .
Zespół z Uniwersytetu Harvarda twierdzi, 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 przy 250 K mogły pojawić się we wczesnych testach magnetometru na oryginalnej, utraconej próbce i jest analizowana przez francuski zespół pracujący z kształty pączków, a nie płaskie na końcówkach diamentowych culetów.
W 1964 roku William A. Little zaproponował możliwość nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w polimerach organicznych . Ta propozycja opiera się na ekscytonów , w przeciwieństwie do parowania za pośrednictwem fononów w teorii BCS .
W 2004 roku Ashcroft powrócił do swojego pomysłu i zasugerował, że związki bogate w wodór mogą stać się metaliczne i nadprzewodzące przy niższych ciśnieniach niż wodór. Mówiąc dokładniej, zaproponował nowy sposób chemicznego wstępnego sprężania wodoru poprzez badanie wodorków IVa .
W 2016 r. badania zasugerowały związek między wodorkiem palladu zawierającym niewielkie zanieczyszczenia nanocząstkami siarki jako prawdopodobnym wyjaśnieniem anomalnych przejściowych spadków rezystancji obserwowanych podczas niektórych eksperymentów, a absorpcją wodoru przez miedziany zasugerowano w świetle wyników z 2015 r. dla H
2 S jako wiarygodne wyjaśnienie przejściowych spadków odporności lub „USO” zauważonych w latach 90. przez Chu i in. podczas badań po odkryciu YBCO . [ potrzebne źródło ] Możliwe jest również, że jeśli wyjaśnienie bipolaronu jest poprawne, normalnie półprzewodnikowy materiał może w pewnych warunkach przejść w nadprzewodnik, jeśli przekroczony zostanie krytyczny poziom naprzemiennego sprzężenia spinowego w jednej płaszczyźnie sieci; mogło to zostać udokumentowane w bardzo wczesnych eksperymentach z 1986 roku. Najlepszą analogią byłby tu magnetoopór anizotropowy, ale w tym przypadku wynikiem jest raczej spadek do zera niż spadek w bardzo wąskim zakresie temperatur dla badanych związków podobnych do „re nadprzewodnictwo wchodzące”. [ potrzebne źródło ]
W 2018 roku znaleziono wsparcie dla elektronów mających anomalne stany spinowe 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 , ma dwa lub więcej konkurencyjnych mechanizmów walczących o dominację ( fala gęstości ładunku ) [ potrzebne źródło ] i stany ekscytonowe, tak jak w przypadku organicznych diod elektroluminescencyjnych i innych systemów kwantowych, dodając prawy katalizator spinowy może sam zwiększyć Tc . Możliwym kandydatem byłby iryd lub złoto umieszczone w niektórych sąsiednich cząsteczkach lub jako cienka warstwa powierzchniowa, więc prawidłowy mechanizm rozprzestrzenia się następnie w całej sieci, podobnie jak przejście fazowe. Jak dotąd jest to spekulacja; podjęto pewne wysiłki, w szczególności dodanie ołowiu do BSCCO , o którym dobrze wiadomo, że pomaga w promowaniu faz o wysokiej Tc przez samą chemię. Jednak relatywistyczne efekty podobne do tych występujących w akumulatorach kwasowo-ołowiowych mogą być odpowiedzialne, co sugeruje, że podobny mechanizm w rtęci - lub talu miedziany na bazie mogą być możliwe przy użyciu pokrewnego 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 zakłócać kolejnych etapów wyżarzania i utleniania ani nadmiernie zmieniać rezonansów sieci. Możliwym obejściem omawianych problemów byłoby użycie silnych pól elektrostatycznych do utrzymywania cząsteczek na miejscu podczas jednego z etapów, aż do utworzenia sieci. [ oryginalne badania? ]
Niektóre wysiłki badawcze zmierzają obecnie w kierunku trójskładnikowych nadwodników , gdzie przewiduje się, że Li
2 Mg H
16 (heksadekahydrek bilito-magnezu) będzie miał Tc się 473 K (200 ° C) przy 250 GPa (znacznie goręcej niż zwykle uważa temperatura pokojowa).
Jeśli chodzi o binarne nadwodniki, przewidziano, że Sc H
12 (dodekahydrek skandu) będzie wykazywał nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej – Tc między 333 K (60 °C) a 398 K ( 125 °C) – pod ciśnieniem przekraczać 100 GPa .
Zobacz też
- Stały prąd – Nieustający prąd elektryczny, niewymagający zewnętrznego źródła zasilania