Исследователи из Университета Рочестера создали сверхпроводящий материал при достаточно низких температуре и давлении, пригодных для практического применения.
Легированный азотом гидрид лютеция (NDLH) проявляет сверхпроводимость при температуре 20 градусов по Цельсию и давлении 10 килобар.
Хотя давление в 10 килобар может показаться чрезвычайно высоким (давление на уровне моря составляет около 1 бара, техника деформации, используемая, например, в производстве микросхем, использует материалы, которые удерживаются вместе за счет ещё более высокого внутреннего химического давления.
Ученые добивались такого прорыва в физике конденсированного состояния более века. Сверхпроводящие материалы обладают двумя ключевыми свойствами: электрическое сопротивление отсутствует, а испускаемые магнитные поля проходят вокруг сверхпроводящего материала. Такие материалы делают возможным:
· Электросети, которые передают без потери до 200 миллионов мегаватт-часов (МВтч) энергии. Сейчас большщие потери происходят из-за сопротивления в проводах
· Бесшумные левитирующие высокоскоростные поезда
· Более доступные методы медицинской визуализации и сканирования, такие как МРТ и магнитокардиография.
· Более быструю и эффективную электронику для цифровой логики и технологий запоминающих устройств
· Машины токамак или тороидальные установки для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза.
Ранее команда Диаса сообщала о создании двух материалов — углеродистого гидрида серы и супергидрида иттрия — которые обладают сверхпроводимостью при температуре 14 градусов Цельсия/2689 килобар и -11 градусов по Цельсию/1793 килобара соответственно.
«Поразительное визуальное преображение»
Гидриды, созданные путем объединения редкоземельных металлов с водородом, а затем добавлением азота или углерода, в последние годы предоставили исследователям соблазнительный «рабочий рецепт» для создания сверхпроводящих материалов. С технической точки зрения, гидриды редкоземельных металлов образуют клатратоподобные каркасные структуры, где ионы редкоземельных металлов действуют как доноры-носители, обеспечивая достаточное количество электронов, которые усиливают диссоциацию молекул H2. Азот и углерод помогают стабилизировать материалы. Соответственно для возникновения сверхпроводимости требуется меньшее давление.
Помимо иттрия исследователи использовали и другие редкоземельные металлы. Однако полученные соединения становятся сверхпроводящими при температурах или давлениях, которые все еще нецелесообразны для практического использования.
На этот раз Диас заглянул в другую часть периодической таблицы.
Лютеций показался хорошим кандидатом, который стоило попробовать. Он имеет сильно локализованные полностью заполненные 14 электронов в своей f-орбитальной конфигурации, которые подавляют смягчение фононов и обеспечивают усиление электрон-фононного взаимодействия, необходимое для сверхпроводимости при температуре окружающей среды. Ключевой вопрос заключался в том, как стабилизировать это, чтобы снизить необходимое давление? И вот тут-то пригодился азот.
Азот, как и углерод, имеет жесткую атомную структуру, которую можно использовать для создания более стабильной кристаллической решетки внутри материала, и он делает низкочастотные оптические фононы жесткими. Эта структура обеспечивает стабильность сверхпроводимости при более низком давлении.
Команда Диаса создала газовую смесь из 99 процентов водорода и одного процента азота, поместила ее в реакционную камеру с чистым образцом лютеция и дала компонентам прореагировать в течение двух-трех дней при температуре 200 градусов по Цельсию.
Полученное соединение лютеций-азот-водород изначально имело голубоватый цвет». Когда соединение затем сжимали в ячейке с алмазной наковальней, происходило визуальное преобразование: от голубого до розового в начале сверхпроводимости, а затем до ярко-красного несверхпроводящего металлического состояния.
Материал получил кодовое название «красная материя» — в честь материала, который Спок создал в популярном фильме «Звездный путь» 2009 года.
Давление в 10 килобар, необходимое для индукции сверхпроводимости, почти на два порядка ниже, чем предыдущее низкое давление, созданное в лаборатории Диаса.
Прогнозирование новых сверхпроводящих материалов с помощью машинного обучения
Путь к сверхпроводящей бытовой электронике, линиям передачи энергии, транспорту и значительным улучшениям магнитного удержания для термоядерного синтеза теперь стал реальностью.
Диас предсказывает, что гидрид лютеция, легированный азотом, значительно ускорит прогресс в разработке токамаков для термоядерного синтеза. Вместо того, чтобы использовать мощные сходящиеся лазерные лучи для взрыва топливной таблетки, токамаки полагаются на сильные магнитные поля, излучаемые корпусом в форме пончика, для улавливания, удержания и воспламенения перегретой плазмы.
Особенно интересной является возможность обучения алгоритмов машинного обучения на накопленных данных экспериментов со сверхпроводниками в лаборатории для прогнозирования других возможных сверхпроводящих материалов — по сути, смешивание и сопоставление тысяч возможных комбинаций редкоземельных металлов, азота, водорода и углерода.
Соавтор Кит Лоулор уже приступил к разработке алгоритмов и проведению расчетов с использованием суперкомпьютерных ресурсов, доступных в Центре интегрированных исследовательских вычислений Университета Рочестера.