"Πιστεύουμε ότι αυτή είναι τώρα μια νέα εποχή υπεραγωγιμότητας", δήλωσε ο Russell Hemley, επιστήμονας των υλικών στο Πανεπιστήμιο George Washington στην Ουάσινγκτον, D.C., σε πλήθος ερευνητών στις 4 Μαρτίου στη συνάντηση Μαρτίου της American Physical Society.
Οι εικόνες φωτίζουν την οθόνη πίσω του: ένα σκίτσο μιας συσκευής για τη σύνθλιψη μικροσκοπικών πραγμάτων μεταξύ των υπερβολικών σημείων των αντιτιθέμενων διαμαντιών, των γραφικών παραστάσεων της θερμοκρασίας και της ηλεκτρικής αντίστασης, μια λαμπερή μπάλα με ένα τραχύ, μαύρο "Χ"
Αυτή η τελευταία εικόνα ήταν η ενσάρκωση της ίδιας της νέας εποχής: ένα μικροσκοπικό δείγμα υπερανθρακικού λανθανίου (ή LaH10) συμπιέστηκε σε πιέσεις παρόμοιες με εκείνες που βρέθηκαν μερικώς μέσω του πυρήνα της Γης και θερμάνθηκαν με λέιζερ σε θερμοκρασίες που πλησιάζουν σε μια ζωηρή μέρα αργά το χειμώνα στη Νέα Αγγλία . (Αυτό προκαλεί θερμότητα από τα πρότυπα της έρευνας υπεραγωγιμότητας που συνήθως διεξάγεται σε ακραίο εργαστηριακό κρύο). Υπό αυτές τις συνθήκες, ο Hemley και η ομάδα του βρήκαν ότι το LaH10 φαίνεται να σταματά να αντιστέκεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων μεταξύ των ατόμων του. Προφανώς γίνεται, όπως ονομάστηκε από τον Hemley στην ομιλία APS και σε ένα έγγραφο που δημοσιεύθηκε στις 14 Ιανουαρίου στο περιοδικό Physical Review Letters, ένα «υπεραγωγό θερμοκρασίας χώρου».
Κατεψυγμένη επιστήμη
Το 1911, ο ολλανδός φυσικός Heike Kamerlingh Onnes ανακάλυψε ότι σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, ορισμένες ουσίες παρουσιάζουν ασυνήθιστες ηλεκτρικές ιδιότητες.
Υπό κανονικές συνθήκες, ένα ηλεκτρικό ρεύμα που διέρχεται από ένα αγώγιμο υλικό (όπως ένα σύρμα χαλκού) θα χάσει κάποια ένταση στην πορεία. Ακόμη και οι πολύ καλοί αγωγοί που χρησιμοποιούμε στα ηλεκτρικά μας δίκτυα είναι ατελείς και αποτυγχάνουμε να μεταφέρουμε όλη την ενέργεια από έναν σταθμό παραγωγής ενέργειας στην πρίζα. Ορισμένα ηλεκτρόνια χάνονται απλά στο δρόμο.
Αλλά οι υπεραγωγοί είναι διαφορετικοί. Ένα ηλεκτρικό ρεύμα που εισάγεται σε ένα βρόχο υπεραγώγιμου σύρματος θα συνεχίσει να κυκλώνει για πάντα, χωρίς απώλειες. Οι υπεραγωγοί εκτοξεύουν τα μαγνητικά πεδία και επομένως πιέζουν δυνατά τους μαγνήτες. Έχουν εφαρμογές σε υπολογιστές υψηλής ταχύτητας και άλλες τεχνολογίες. Το πρόβλημα είναι ότι τα είδη εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών στα οποία συνήθως λειτουργούν οι υπεραγωγοί τα καθιστούν ανέφικτα για κοινή χρήση.
Κυνήγι χωρίς χάρτη
Για περισσότερο από έναν αιώνα, οι φυσικοί έχουν κυνηγήσει για υπεραγωγιμότητα σε θερμότερα υλικά. Αλλά η εύρεση υπεραγωγιμότητας είναι λίγο σαν ένα εντυπωσιακό χρυσό: Οι προηγούμενες εμπειρίες και οι θεωρίες θα μπορούσαν να σας πουν σε γενικές γραμμές πού να το αναζητήσετε, αλλά δεν θα ξέρετε πού είναι μέχρι να κάνετε το ακριβό, χρονοβόρο έργο ελέγχου.
"Έχετε ένα τεράστιο χώρο για να εξερευνήσετε", δήλωσε η Lilia Boeri, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Sapienza της Ρώμης, ο οποίος παρουσίασε τη δουλειά αφού ο Hemley διερεύνησε την πιθανότητα υπεραγωγών ακόμη πιο θερμό από το LaH10 και εξηγώντας γιατί τέτοια υλικά είναι υπεραγώγιμο σε ακραίες πιέσεις.
Το 1986, οι ερευνητές αποκάλυψαν κεραμικά που ήταν υπεραγώγιμα σε θερμοκρασίες έως 30 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν ή μείον 406 βαθμούς Φαρενάιτ (μείον 243 βαθμούς Κελσίου). Αργότερα, στη δεκαετία του 1990, οι ερευνητές εξέτασαν για πρώτη φορά σοβαρά τις πολύ μεγάλες πιέσεις, για να δουν αν θα μπορούσαν να αποκαλύψουν νέα είδη υπεραγωγών.
Αλλά σε αυτό το σημείο, ο Boeri είπε στη Live Science, δεν υπήρχε ακόμα καλός τρόπος για να καθοριστεί αν ένα υλικό θα αποδειχθεί υπεραγώγιμο ή σε ποια θερμοκρασία θα το έκανε, μέχρι να δοκιμαστεί. Ως αποτέλεσμα, οι κρίσιμες καταγραφές θερμοκρασίας - οι θερμοκρασίες στις οποίες εμφανίζεται η υπεραγωγιμότητα - παρέμειναν πολύ χαμηλές.
"Το θεωρητικό πλαίσιο ήταν εκεί, αλλά δεν είχαν τη δυνατότητα να το χρησιμοποιήσουν", δήλωσε ο Μπόρι.
Η επόμενη μεγάλη εξέλιξη ήρθε το 2001, όταν οι ερευνητές έδειξαν ότι το διβοριούχο μαγνήσιο (MgB2) ήταν υπεραγώγιμο στους 39 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν ή μείον 389 F (μείον 234 C).
"ήταν αρκετά χαμηλή", είπε, "αλλά εκείνη την εποχή ήταν μια σημαντική ανακάλυψη, επειδή έδειξε ότι θα μπορούσατε να έχετε υπεραγωγιμότητα με μια κρίσιμη θερμοκρασία που ήταν διπλάσια από ό, τι είχε θεωρηθεί προηγουμένως δυνατό".
Σύνθλιψη υδρογόνου
Από τότε, το κυνήγι θερμών υπεραγωγών έχει μετατοπιστεί με δύο βασικούς τρόπους: Οι επιστήμονες των υλικών συνειδητοποίησαν ότι τα ελαφρύτερα στοιχεία προσέφεραν δυνατές δυνατότητες υπεραγωγιμότητας. Εν τω μεταξύ, τα μοντέλα υπολογιστών προχώρησαν στο σημείο όπου οι θεωρητικοί θα μπορούσαν να προβλέψουν εκ των προτέρων με ακρίβεια πόσο υλικά μπορεί να συμπεριφέρονται σε ακραίες συνθήκες.
Οι φυσικοί ξεκίνησαν στον προφανή τόπο.
"Έτσι, θέλετε να χρησιμοποιήσετε ελαφρά στοιχεία, και το ελαφρύτερο στοιχείο είναι το υδρογόνο", δήλωσε ο Μπόρι. "Αλλά το πρόβλημα είναι το ίδιο το υδρογόνο - αυτό δεν μπορεί να γίνει υπεραγώγιμο, επειδή είναι μονωτικό.Έτσι, για να έχετε ένα υπεραγωγό, θα πρέπει πρώτα να το κάνετε ένα μέταλλο.Θα πρέπει να κάνετε κάτι γι 'αυτό και το καλύτερο που μπορείτε να κάνετε είναι συμπίεση. "
Στη χημεία, ένα μέταλλο είναι σχεδόν κάθε συλλογή ατόμων που συνδέονται μεταξύ τους επειδή κάθονται σε μια ελεύθερα ρέουσα σούπα ηλεκτρονίων. Τα περισσότερα υλικά που ονομάζουμε μέταλλα, όπως ο χαλκός ή ο σίδηρος, είναι μεταλλικά σε θερμοκρασία δωματίου και σε άνετες ατμοσφαιρικές πιέσεις. Αλλά άλλα υλικά μπορούν να γίνουν μέταλλα σε πιο ακραίες συνθήκες.
Θεωρητικά, το υδρογόνο είναι ένα από αυτά. Υπάρχει όμως πρόβλημα.
"Αυτό απαιτεί πολύ μεγαλύτερη πίεση από ό, τι μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα τεχνολογία", δήλωσε ο Hemley στη συζήτησή του.
Αυτό αφήνει τους ερευνητές να αναζητούν υλικά που περιέχουν πολλά υδρογόνα που θα σχηματίζουν μέταλλα - και, ελπίζω, θα γίνουν υπεραγώγιμα, σε εφικτές πιέσεις.
Αυτή τη στιγμή, λέει ο Boeri, οι θεωρητικοί που δουλεύουν με μοντέλα υπολογιστών προσφέρουν πειραματικούς υλικό που μπορεί να είναι υπεραγωγούς. Και οι πειραματιστές επιλέγουν τις καλύτερες επιλογές για να δοκιμάσουν.
Υπάρχουν όρια στην αξία αυτών των μοντέλων, όμως, είπε ο Hemley. Όχι κάθε πρόβλεψη βγαίνει στο εργαστήριο.
"Κάποιος μπορεί να χρησιμοποιήσει τους υπολογισμούς πολύ αποτελεσματικά σε αυτό το έργο, αλλά πρέπει να το κάνουμε αυτό κριτικά και να παρέχουμε τελικά πειραματικές δοκιμές", είπε στο συγκεντρωμένο πλήθος.
Ο Hemley και ο "υπεραγωγός θερμοκρασίας χώρου" της ομάδας του, "LaH10, φαίνεται να είναι το πιο συναρπαστικό αποτέλεσμα ακόμα από αυτή τη νέα εποχή της έρευνας. Το δείγμα του LaH10, που έχει θρυμματιστεί σε περίπου 1 εκατομμύριο φορές την πίεση της ατμόσφαιρας της Γης (200 gigapascals) μεταξύ των σημείων δύο αντικριστών διαμαντιών, φαίνεται να είναι υπεραγώγιμο στους 260 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν ή το 8F (μείον 13ο C).
Μια άλλη διαδρομή του πειράματος που περιγράφηκε στο ίδιο έγγραφο φαίνεται να δείχνει υπεραγωγιμότητα σε 280 μοίρες πάνω από το απόλυτο μηδέν ή 44 F (7C). Αυτή είναι μια ψυχρή θερμοκρασία δωματίου, αλλά δεν είναι πολύ δύσκολη η επίτευξη θερμοκρασίας.
Ο Hemley ολοκλήρωσε τη συζήτησή του υποδεικνύοντας ότι, κάτω από το δρόμο, αυτή η εργασία υψηλής πίεσης μπορεί να οδηγήσει σε υλικά που είναι υπεραγωγούς τόσο σε θερμές θερμοκρασίες όσο και σε κανονικές πιέσεις. Ίσως ένα υλικό, όταν υποστεί πίεση, θα μπορούσε να παραμείνει υπεραγωγός μετά την απελευθέρωση της πίεσης, είπε. Ή ίσως τα μαθήματα σχετικά με τη χημική δομή που αποκτήθηκε σε υψηλές θερμοκρασίες θα μπορούσαν να δείξουν το δρόμο για τις υπεραγώγιμες δομές χαμηλής πίεσης.
Αυτό θα ήταν ένας παίκτης αλλαγής παιχνιδιών, είπε ο Μπόρι.
"Αυτό το θέμα είναι ουσιαστικά βασική έρευνα, δεν έχει καμία εφαρμογή", είπε. "Αλλά ας πούμε ότι καταλήγετε σε κάτι που λειτουργεί υπό πίεση, για παράδειγμα, 10 φορές χαμηλότερο από τώρα. Αυτό ανοίγει την πόρτα σε υπεραγώγιμα καλώδια, άλλα πράγματα."
Ερωτηθείς αν περίμενε να δει μια θερμοκρασία δωματίου, υπεραγωγούς πίεσης χώρου στη διάρκεια της ζωής της, κούνησε με ενθουσιασμό.
"Σίγουρα," είπε.
