Работа, представленная на обложке журнала Nature, была проведена лабораторией Ранга Диаса, доцента кафедры физики и машиностроения.
Диас говорит, что разработка сверхпроводящих материалов – без электрического сопротивления и излучения магнитного поля при комнатной температуре – это «святой Грааль» физики конденсированного состояния.
Такие материалы, которые ищут уже более века, «определенно могут изменить мир, каким мы его знаем», – говорит Диас.
Установив новый рекорд, Диас и его исследовательская группа объединили водород с углеродом и серой для фотохимического синтеза простого органического гидрида серной кислоты в алмазной наковальне – исследовательском устройстве, используемом для исследования крошечных количеств материалов под чрезвычайно высоким давлением.
Углеродистый гидрид серы проявлял сверхпроводимость при температуре около 58 градусов по Фаренгейту и давлении около 39 миллионов фунтов на квадратный дюйм. Это первый случай, когда сверхпроводящий материал был обнаружен при комнатной температуре.
"Из-за пределов низких температур материалы с такими необычными свойствами не совсем изменили мир так, как многие могли бы вообразить.
Однако наше открытие разрушит эти барьеры и откроет двери для многих потенциальных приложений », – говорит Диас, который также является участником программ Университета по материаловедению и физике высокой плотности энергии.
Приложения включают:
Электросети, передающие электроэнергию без потери до 200 миллионов мегаватт-часов (МВтч) энергии, которая в настоящее время возникает из-за сопротивления в проводах.
Новый способ управлять левитирующими поездами и другими видами транспорта.
Медицинские методы визуализации и сканирования, такие как МРТ и магнитокардиография
Более быстрая и эффективная электроника для цифровой логики и запоминающих устройств.
«Мы живем в обществе полупроводников, и с помощью такой технологии вы можете превратить общество в сверхпроводящее общество, где вам больше никогда не понадобятся такие вещи, как батареи», – говорит Ашкан Саламат из Университета Невады в Лас-Вегасе, соавтор открытие.
Количество сверхпроводящего материала, создаваемого ячейками алмазной наковальни, измеряется в пиколитрах – примерно размер одной частицы для струйной печати.
Следующей задачей, по словам Диаса, является поиск способов создания сверхпроводящих материалов при комнатной температуре при более низком давлении, чтобы их было экономически выгодно производить в больших объемах. По сравнению с давлением в миллионы фунтов, создаваемым в ячейках алмазной наковальни, атмосферное давление Земли на уровне моря составляет около 15 фунтов на квадратный дюйм.
Почему комнатная температура имеет значение
Сверхпроводимость, впервые обнаруженная в 1911 году, придает материалам два ключевых свойства.
Электрическое сопротивление исчезает. И любое подобие магнитного поля исключается из-за явления, называемого эффектом Мейснера. Силовые линии магнитного поля должны проходить вокруг сверхпроводящего материала, что позволяет поднимать такие материалы в воздух, что можно использовать для создания высокоскоростных поездов без трения, известных как поезда на магнитной подвеске.
Мощные сверхпроводящие электромагниты уже являются критическими компонентами поездов маглава, аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР), ускорителей частиц и других передовых технологий, включая ранние квантовые суперкомпьютеры.
Но сверхпроводящие материалы, используемые в устройствах, обычно работают только при чрезвычайно низких температурах – ниже любых естественных температур на Земле. Это ограничение делает их обслуживание дорогостоящим и слишком дорогостоящим для распространения на другие потенциальные приложения. «Стоимость содержания этих материалов при криогенных температурах настолько высока, что вы не можете полностью использовать их преимущества», – говорит Диас.
Ранее самая высокая температура для сверхпроводящего материала была достигнута в прошлом году в лаборатории Михаила Еремеца в Химическом институте Макса Планка в Майнце, Германия, и группой Рассела Хемли в Иллинойском университете в Чикаго.
Эта команда сообщила о сверхпроводимости от -10 до 8 градусов по Фаренгейту с использованием супергидрида лантана.
В последние годы исследователи также исследовали оксиды меди и химические вещества на основе железа в качестве потенциальных кандидатов в высокотемпературные сверхпроводники. Однако водород – самый распространенный элемент во Вселенной – также предлагает многообещающий строительный блок.
"Чтобы иметь высокотемпературный сверхпроводник, вам нужны более прочные связи и легкие элементы.
Это два основных критерия », – говорит Диас. «Водород – самый легкий материал, а водородная связь – одна из самых прочных.
«Теоретически твердый металлический водород имеет высокую температуру Дебая и сильную электрон-фононную связь, которая необходима для сверхпроводимости при комнатной температуре», – говорит Диас.
Однако чрезвычайно высокие давления необходимы только для того, чтобы перевести чистый водород в металлическое состояние, что было впервые достигнуто в лаборатории в 2017 году профессором Гарвардского университета Исааком Сильвера и Диасом, затем доктором в лаборатории Сильвера.
Смена парадигмы
Итак, лаборатория Диаса в Рочестере осуществила «сдвиг парадигмы» в своем подходе, используя в качестве альтернативы богатые водородом материалы, которые имитируют неуловимую сверхпроводящую фазу чистого водорода и могут быть металлизированы при гораздо более низких давлениях.
Сначала лаборатория объединила иттрий и водород. Полученный в результате супергидрид иттрия проявил сверхпроводимость при рекордно высокой температуре около 12 градусов по Фаренгейту и давлении около 26 миллионов фунтов на квадратный дюйм.
Затем лаборатория исследовала ковалентные материалы на основе органических соединений, богатые водородом.
Эта работа привела к получению углеродсодержащего гидрида серы. «Это присутствие углерода имеет здесь чрезвычайно важное значение», – сообщают исследователи.
Дальнейшая «композиционная настройка» этой комбинации элементов может быть ключом к достижению сверхпроводимости при еще более высоких температурах, добавляют они.