علیرغم اختلاف نظرها، تحقیقات ابررساناها در «عصر طلایی» است

از جانب دیوید کاستلوکی و مجله طبیعت

آ طبیعت خروج هفته گذشته به آخرین ادعای ابررسانایی دمای اتاق پایان داد – که در آن محققان گفتند ماده ای ساخته اند که می تواند الکتریسیته را بدون تولید گرمای اتلاف و بدون خنک کردن هدایت کند.

این کنار گذاشتن را دنبال می کند شکست یک ادعای وقیحانه‌تر فرضی یک ابر رسانا به نام LK-99، که اوایل سال جاری در شبکه های اجتماعی منتشر شد.

علیرغم این شکست‌های بزرگ، محققان ابررسانایی می‌گویند که این رشته از یک رنسانس لذت می‌برد (به «خط زمانی: نقاط عطف ابررسانایی» مراجعه کنید). لیلیا بوئری، فیزیکدانی که در پیش‌بینی محاسباتی در دانشگاه ساپینزا رم تخصص دارد، می‌گوید: «این یک رشته رو به مرگ نیست – برعکس». این پیشرفت تا حدی توسط قابلیت‌های جدید شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای پیش‌بینی وجود و خواص مواد کشف‌نشده تقویت می‌شود.

بخش اعظم هیجان بر روی «سوپرهیدریدها» متمرکز شده است – مواد غنی از هیدروژن که تا زمانی که در فشارهای بالا نگه داشته می شوند، ابررسانایی در دماهای به طور فزاینده ای از خود نشان می دهند. موضوع بازنشستگان طبیعت تصور می شد که کاغذ چنین ماده ای باشد که از هیدروژن، لوتیتیم و نیتروژن ساخته شده است. اما کار در چند سال گذشته چندین خانواده از مواد را کشف کرده است که می توانند خواص انقلابی داشته باشند. پل کانفیلد، فیزیکدان دانشگاه ایالتی آیووا در آزمایشگاه ملی ایمز و ایمز می گوید: «واقعاً به نظر می رسد که ما در آستانه کشف بسیاری از ابررساناهای جدید هستیم.

گشت و گذار در الکترون ها

ابررسانایی زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌های یک جامد با هم ترکیب شوند و «جفت کوپر» را تشکیل دهند. این اجازه می دهد تا تعداد بیشتری از الکترون ها از حد معمول در داخل ماده حرکت کنند، که به نوبه خود به الکترون ها اجازه می دهد تا بدون تولید گرمای اتلاف جریان را حمل کنند.

در ابررساناهای “معمولی”، الکترون ها هنگامی که توسط ارتعاشات در مواد به هم فشرده می شوند، جفت های کوپر را تشکیل می دهند – امواج مکانیکی که جفت های کوپر مانند موج سواران روی موج سوار می شوند. تا اواسط دهه 2000، محققان به طور کلی بر این باور بودند که این مکانیسم تنها در دماهای بسیار پایین، تا حدود 40 کلوین، کار می کند. تمام ابررساناهایی که از یک عنصر ساخته شده اند برای نشان دادن این خاصیت به دمای کمتر از 10 کلوین نیاز دارند. دیبورید منیزیم، یک ابررسانای معمولی در سال 2001 افتتاح شد توسط تیمی به رهبری جون آکیمیتسو از دانشگاه اوکایاما در ژاپن، بالاترین رکورد دما را به 39 کلوین رساند.

اساس سوپرهیدریدها در سال 2004 زمانی که فیزیکدان نظری فقید نیل اشکرافت پیش بینی کرد که عناصر خاصی با هیدروژن ترکیباتی تشکیل می دهند که اگر تحت فشار کافی قرار گیرند می توانند در دماهای بسیار بالاتر از هر ماده دیگری ابررسانا باشند تا اتم های هیدروژن را به هم نزدیکتر کنند، ایجاد شد. .

بر اساس نظریه اشکرافت، نزدیکی اتم های هیدروژن فرکانس ارتعاشات مکانیکی را افزایش می دهد و به ماده اجازه می دهد در حالی که ابررسانایی خود را حفظ می کند گرم شود. اما یک نکته وجود داشت: حتی برای وجود، برخی از این مواد به فشارهایی مشابه با فشارهای موجود در هسته زمین نیاز دارند.

پیشرفت در انجام آزمایش‌های پرفشار بر روی نمونه‌های کوچک در سندان الماس – و اندازه‌گیری نتایج آنها – در سال 2015، زمانی که فیزیکدان میخائیل ارمتس از مؤسسه شیمی ماکس پلانک در ماینتس، آلمان و همکارانش، به پیشرفتی دست یافتند. اولین بار ابررسانایی را در یک سوپرهیدرید نشان داد، سولفید هیدروژن. از آن زمان، دانشمندان وجود چندین ماده ابررسانا دیگر را در این خانواده پیش‌بینی کرده‌اند که برخی از آنها کشف شده‌اند، از جمله مواد مبتنی بر کلسیم. ساختارهای سلول مانندی به نام clathrates.

در حال حاضر به عنوان “گرمترین” ابررسانا از هر نوع در نظر گرفته می شود لانتانیم دکاهیدریدعضوی از کلاس سوپرهیدرید که نشان داده شده است که یک ابررسانای فشار بالا معمولی در دماهای حداقل 250 کلوین است.

شبیه سازی های پیشرفته

Eremets و دیگران می گویند که تعامل تئوری، شبیه سازی، سنتز مواد و آزمایش برای پیشرفت بسیار مهم است. در اوایل دهه 2000، شبیه‌سازی‌ها می‌توانستند پیش‌بینی کنند که آیا ماده‌ای با ساختار بلوری خاص و ترکیب شیمیایی می‌تواند ابررسانا باشد و در چه دماهایی ممکن است این ویژگی را از خود نشان دهد. اما تغییر بزرگ بعدی، معرفی الگوریتم‌هایی در اواخر همان دهه بود که می‌توانستند نه تنها خواص یک ماده معین، بلکه موادی را که ممکن است از مخلوط معینی از عناصر تشکیل شوند، پیش‌بینی کنند. بوئری می‌گوید: «تا آن زمان، یک قطعه حیاتی وجود نداشت: درک اینکه آیا ترکیب می‌تواند در وهله اول تشکیل شود یا خیر».

کشف در سال 2015 مبنی بر اینکه سولفید هیدروژن یک ابررسانا است با شبیه سازی های کامپیوتری انجام شده در سال قبل مطابقت داشت. آرتم اوگانوف، دانشمند مواد در موسسه علم و فناوری Skolkovo در مسکو که الگوریتم‌هایی را برای پیش‌بینی ساختار پیش‌بینی کرده، می‌گوید بدون پیشرفت‌های سریع در پیش‌بینی ساختار، کشف ابررساناهای غنی از هیدروژن “احتمالاً تا یک قرن دیگر اتفاق نمی‌افتاد”. . الگوریتم‌های «تکاملی» آن، به‌ویژه، پیکربندی اتم‌هایی را با کمترین انرژی – و بنابراین بهترین شانس برای تشکیل و پایدار ماندن – در یک فشار معین را پیدا می‌کنند.

شبیه‌سازی‌ها به‌ویژه برای پیش‌بینی رفتار مواد در فشارهای بالا، که در آن اتم‌ها آنقدر نزدیک به هم فشرده می‌شوند که نه تنها از طریق الکترون‌های بیرونی‌شان، بلکه با الکترون‌های درونی‌شان نیز برهم‌کنش می‌کنند، مهم هستند، و این دگم را از پنجره کتاب درسی شیمی بیرون می‌اندازد. نمونه ای از این لیتیوم هگزا هیدرید است که فقط در فشار بالا می تواند وجود داشته باشد. هر کسی در کلاس شیمی عمومی به شما می گوید که چیزی شبیه LiH است₆ اوا زورک، شیمیدان محاسباتی در دانشگاه بوفالو در نیویورک می گوید: نمی تواند پایدار باشد.

این مقاله با اجازه تکثیر شده است اولین بار منتشر شد در 16 نوامبر 2023