Kutsal Kase: Araştırmacılar Oda Sıcaklığında Süperiletken Malzemeyi Sentezliyor

5
Makine mühendisliği ve fizik ve astronomi profesörü yardımcı doçenti Ranga Dias liderliğindeki yeni araştırmanın amacı, oda sıcaklıklarında süper iletken malzemeler geliştirmektir. Şu anda, bir mıknatısın sıvı nitrojenle soğutulmuş bir süper iletkenin üzerinde yüzdüğü Dias'ın laboratuvarından alınan bu fotoğrafta gösterildiği gibi, süperiletkenliği elde etmek için aşırı soğuk gereklidir. Kredi: Rochester Üniversitesi fotoğrafı / J. Adam Fenster

Basit moleküler katıları son derece yüksek basınçlarda hidrojen ile sıkıştırarak, Rochester Üniversitesi mühendisleri ve fizikçiler ilk kez oda sıcaklığında süper iletken olan bir malzeme yaptılar.

Nature dergisinde kapak raporu olarak gösterilen çalışma, fizik ve makine mühendisliği yardımcı doçenti Ranga Dias’ın laboratuvarı tarafından yapıldı.

Dias, oda sıcaklığında elektrik direnci ve manyetik alanın dışarı atılması olmadan süper iletkenler geliştiren malzemeler geliştirmenin yoğunlaştırılmış madde fiziğinin “kutsal kasesi” olduğunu söylüyor. Dias, yüzyılı aşkın süredir aranan bu tür malzemeler “bildiğimiz dünyayı kesinlikle değiştirebilir” diyor.

Yeni rekoru kırarken, Dias ve araştırma ekibi, hidrojeni karbon ve kükürt ile birleştirerek bir elmas örs hücresinde basit organik olarak türetilmiş karbonlu sülfür hidrürü fotokimyasal olarak sentezledi; Bu, çok küçük miktarlarda malzemeyi aşırı yüksek basınç altında incelemek için kullanılan bir araştırma cihazıdır.

Karbonlu sülfür hidrit, yaklaşık 58 Fahrenheit derece ve yaklaşık 39 milyon psi’lik bir basınçta süper iletkenlik sergilemiştir. Bu, süper iletken malzemenin oda sıcaklıklarında ilk kez gözlenmesidir.

“Düşük sıcaklığın sınırları nedeniyle, bu tür istisnai özelliklere sahip malzemeler, dünyayı pek çok kişinin hayal edebileceği şekilde tam olarak dönüştürmedi. Ancak keşfimiz bu engelleri aşacak ve birçok potansiyel uygulamaya kapı açacak ”diyor ve aynı zamanda üniversitenin Malzeme Bilimi ve Yüksek Enerji Yoğunluğu Fiziği programlarıyla da bağlantılı.

Uygulamalar şunları içerir:

  • Tellerdeki direnç nedeniyle 200 milyon megawatt saate (MWh) varan enerji kaybı olmadan elektrik ileten güç şebekeleri.
  • Kaldırılmış trenleri ve diğer ulaşım yöntemlerini iyileştirmenin yeni bir yolu.
  • MRI ve manyetokardiyografi gibi tıbbi görüntüleme ve tarama teknikleri
  • Dijital mantık ve bellek cihazı teknolojisi için daha hızlı, daha verimli elektronik.

Nevada Las Vegas Üniversitesi’nden Ashkan Salamat, “Yarı iletken bir toplumda yaşıyoruz ve bu tür bir teknoloji ile toplumu bir daha asla pil gibi bir şeye ihtiyaç duymayacağınız süper iletken bir topluma taşıyabilirsiniz” diyor Nevada Las Vegas. keşif.

Elmas örs hücreleri tarafından oluşturulan süper iletken malzeme miktarı, pikolitre cinsinden ölçülür – yaklaşık olarak tek bir mürekkep püskürtmeli parçacık boyutunda.

Dias’a göre bir sonraki zorluk, daha büyük hacimler üretmek için ekonomik olan daha düşük basınçlarda oda sıcaklığında süper iletken malzemeler yaratmanın yollarını bulmaktır. Elmas örs hücrelerinde yaratılan milyonlarca poundluk basınçla karşılaştırıldığında, Dünya’nın deniz seviyesindeki atmosferik basıncı yaklaşık 15 PSI’dır.

Kutsal Kase: Araştırmacılar Oda Sıcaklığında Süperiletken Malzemeyi Sentezliyor 1
Süperiletken Malzeme

Oda sıcaklığı neden önemlidir?

İlk olarak 1911’de keşfedilen süperiletkenlik, malzemelere iki temel özellik kazandırır. Elektrik direnci kayboldu. Ve manyetik alanın herhangi bir görünümü, Meissner etkisi adı verilen bir fenomen nedeniyle atılır. Manyetik alan çizgilerinin süper iletken malzemenin etrafından geçmesi gerekiyor, bu da bu tür malzemenin kaldırılmasını mümkün kılıyor, bu da maglev trenleri olarak bilinen sürtünmesiz yüksek hızlı trenler için kullanılabilecek bir şey.

Güçlü süper iletken elektromıknatıslar, maglav trenlerinin, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) ve nükleer manyetik rezonans (NMR) makinelerinin, parçacık hızlandırıcılarının ve erken kuantum süper bilgisayarları dahil diğer gelişmiş teknolojilerin zaten kritik bileşenleridir.

Ancak cihazlarda kullanılan süper iletken malzemeler genellikle yalnızca son derece düşük sıcaklıklarda çalışır – Dünya’daki herhangi bir doğal sıcaklıktan daha düşük. Bu kısıtlama, bunların bakımını maliyetli ve diğer potansiyel uygulamalara genişletilemeyecek kadar maliyetli hale getirir. “Bu malzemeleri kriyojenik sıcaklıklarda tutmanın maliyeti o kadar yüksek ki, onlardan tam olarak yararlanamazsınız” diyor Dias.

Daha önce, bir süper iletken malzeme için en yüksek sıcaklık, geçen yıl Mainz, Almanya’daki Max Planck Kimya Enstitüsü’ndeki Mikhail Eremets laboratuvarında ve Chicago’daki Illinois Üniversitesi’nden Russell Hemley grubunda elde edilmişti. Bu ekip, lantan süperhidrit kullanarak süperiletkenliği -10 ila 8 Fahrenheit arasında bildirdi.

Araştırmacılar ayrıca son yıllarda yüksek sıcaklık süperiletkenleri için potansiyel adaylar olarak bakır oksitleri ve demir bazlı kimyasalları da araştırdılar. Bununla birlikte, evrendeki en bol element olan hidrojen, aynı zamanda umut verici bir yapı taşı da sunmaktadır.

“Yüksek sıcaklıkta bir süper iletkene sahip olmak için, daha güçlü bağlar ve daha hafif elemanlar istiyorsunuz. Bunlar çok temel iki kriter ”diyor Dias. “Hidrojen en hafif malzemedir ve hidrojen bağı en güçlülerinden biridir.

“Katı metalik hidrojenin yüksek Debye sıcaklığına ve oda sıcaklığında süperiletkenlik için gereken güçlü elektron-fonon bağına sahip olduğu teorileştirildi,” diyor Dias.

Bununla birlikte, saf hidrojeni metalik bir duruma getirmek için olağanüstü yüksek basınçlara ihtiyaç vardır; Bu ilk olarak 2017’de Harvard Üniversitesi profesörü Isaac Silvera ve Dias tarafından bir laboratuarda, ardından Silvera’nın laboratuvarında doktora sonrası bir doktor tarafından yapıldı.

Kutsal Kase: Araştırmacılar Oda Sıcaklığında Süperiletken Malzemeyi Sentezliyor 2
Süperiletken Malzeme

Bir ‘paradigma değişimi’

Ve böylece, Dias’ın Rochester’daki laboratuvarı, alternatif olarak saf hidrojenin zor süper iletken fazını taklit eden ve çok daha düşük basınçlarda metalize edilebilen hidrojen açısından zengin malzemeler kullanarak yaklaşımında bir “paradigma değişimi” gerçekleştirdi.

İlk olarak, laboratuvar itriyum ve hidrojeni birleştirdi. Ortaya çıkan itriyum süperhidrit, o sırada yaklaşık 12 Fahrenheit’lik rekor bir yüksek sıcaklıkta ve inç kare başına yaklaşık 26 milyon poundluk bir basınçta süper iletkenlik sergiledi.

Daha sonra laboratuvar kovalent hidrojen açısından zengin organik türevli malzemeler keşfetti.

Bu çalışma, karbonlu sülfür hidrit ile sonuçlandı. Araştırmacılar, “Bu karbon varlığı burada da eşit derecede önemlidir” diyor. Bu element kombinasyonunun daha fazla “bileşimsel ayarlaması”, daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenliğe ulaşmanın anahtarı olabilir, diye ekliyorlar.

Referans: Elliot Snider, Nathan Dasenbrock-Gammon, Raymond McBride, Mathew Debessai, Hiranya Vindana, Kevin Vencatasamy, Keith V. Lawler, Ashkan Salamat ve Ranga P. Dias, 14 Ekim 2020, “Karbonlu sülfür hidritte oda sıcaklığı süperiletkenliği” , Doğa.

Makaledeki diğer ortak yazarlar arasında baş yazar Elliot Snider ’19 (MS), Nathan Dasenbrock-Gammon ’18 (MA), Raymond McBride ’20 (MS), Kevin Vencatasamy ’21 ve Hiranya Vindana (MS), tümü Dias lab. ; Intel Corporation’dan Mathew Debessai (PhD) ve Nevada Las Vegas Üniversitesi’nden Keith Lawlor (Ph.D).

Proje, Ulusal Bilim Vakfı ve ABD Enerji Stokları Yönetimi Akademik İttifak Programı Bölümü ve Fusion Enerji Bilimleri Bilim Ofisi tarafından finanse edildi. Elmas yüzeylerin hazırlanması kısmen Rochester Üniversitesi Entegre Nanosistemler Merkezi’nde (URnano) gerçekleştirildi.

Dias ve Salamat, ortam basıncında ölçeklenebilir üretilebilen oda sıcaklığında süperiletkenler için bir yol bulmak için Unearthly Materials adında yeni bir şirket kurdu.

Patentler beklemede. Teknolojiyi lisanslamakla ilgilenen herkes, URVentures lisans yöneticisi Curtis Broadbent ile iletişime geçebilir.


YORUM YAP

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz