Ο πρώτος Υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά σε πολύ υψηλές πιέσεις

Ο πρώτος Υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά σε πολύ υψηλές πιέσεις

Ένα ασαφές μείγμα θείου, άνθρακα και υδρογόνου είναι ικανό να δείξει υπεραγωγική συμπεριφορά στους 15 ° C, αλλά μόνο σε πιέσεις που μπορούν να βρεθούν στα βάθη του πλανήτη Δία.

Οι υπεραγωγοί είναι μια κατηγορία υλικών που χαρακτηρίζονται από μηδενική ηλεκτρική αντίσταση. Ωστόσο, για να συμβεί αυτό, πρέπει να κρυώσουν σε θερμοκρασίες κάτω των 0 ° C και για αυτό το λόγο η χρήση τους περιορίζεται σε ορισμένες συγκεκριμένες εφαρμογές λόγω της πολυπλοκότητας που απαιτείται για τη δημιουργία και διατήρηση ορισμένων θερμοκρασιών.

Η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας οφείλεται στον φυσικό Heike Kamerlingh Onnes το 1911, όταν παρατήρησε ότι σε θερμοκρασία 4,2 kelvin (-268,95 ° C) η αντίσταση του υδραργύρου ακυρώθηκε. Αυτή η θερμοκρασία επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας υγρό ήλιο που είχε παραχθεί λίγα χρόνια νωρίτερα και για το οποίο έλαβε το βραβείο Νόμπελ στη φυσική το 1913. Ένα παράδειγμα αναφοράς για τις εφαρμογές υπεραγωγών, που έχουν ήδη εφαρμοστεί, είναι οι ηλεκτρομαγνήτες του Large Hadron Collider, στον Επιταχυντή σωματιδίων CERN . Σε αυτήν την περίπτωση, η υπεραγωγιμότητα επιτυγχάνεται σε θερμοκρασία -271,25 ° C.

Υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας

Έχουν διεξαχθεί άπειρες επιστημονικές έρευνες για αρκετές δεκαετίες για να προσδιοριστεί η δυνατότητα δημιουργίας «υψηλής θερμοκρασίας» σε υπεραγωγούς . Στην περίπτωση αυτή, οι λέξεις «υψηλή θερμοκρασία» πρέπει να λαμβάνονται υπόψη ανάλογα με τις κανονικές κρυογονικές θερμοκρασίες στις οποίες λειτουργούν οι παραδοσιακοί υπεραγωγοί: από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, υλικά ικανά να παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασίες 20 Κ (- 263,2 ° C) την οποία η φυσική θεωρεί «πολύ υψηλότερη» από ό, τι αρχικά ανακάλυψε ο Onnes. Τυπικά, οι υπεραγωγοί θεωρούνται ότι βρίσκονται σε υψηλή θερμοκρασία όταν παρουσιάζουν το ιδιότυπο φυσικό φαινόμενο πάνω από 77 Κ (-196,2 ° C).

Ωστόσο, μετά την ανακάλυψη υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας, δεν έχει αναπτυχθεί μια σωστή εννοιολογική κατανόηση που θα εξηγούσε γιατί αυτές οι ενώσεις μπόρεσαν να δείξουν υπεραγωγιμότητα ακόμη και σε υψηλότερες θερμοκρασίες από τους παραδοσιακούς υπεραγωγούς. Συνεπώς, η μελέτη και η ανάπτυξη υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας συνεχίστηκε σε αβέβαιο έδαφος, αλλά γρήγορα υπέστη μια οπισθοδρόμηση. Μόνο τα τελευταία χρόνια, χάρη στην πιο σωστή κατανόηση των φυσικών μηχανισμών που ρυθμίζουν την υπεραγωγιμότητα, ήταν δυνατό να γίνουν γρήγορα βήματα προς τα εμπρός που, συγκεκριμένα, ανέδειξαν τις ιδιότητες μιας νέας οικογένειας υλικών.

Μέσα σε ένα μη υπεραγώγιμο υλικό, τα ηλεκτρόνια κινούνται μεμονωμένα, χτυπώντας άτομα και τυχόν δομικά ελαττώματα του υλικού, δημιουργώντας έτσι την ηλεκτρική αντίσταση. Για να κινηθούν ελεύθερα τα ηλεκτρόνια πρέπει να σχηματίσουν αυτό που ονομάζεται ζεύγος Cooper , το οποίο συμπεριφέρεται σαν ένα κβαντικό υγρό που μπορεί να κινηθεί μέσα στο υλικό αποφεύγοντας τις ατέλειες και εκμεταλλευόμενοι οποιαδήποτε διαθέσιμη διαδρομή: η οποία είναι η υπεραγωγιμότητα.

Ο σχηματισμός ζευγών Cooper συνεπάγεται με τη δυνατότητα να ξεπεραστεί η φυσική τάση των ηλεκτρονίων να απωθούν το ένα το άλλο, καθώς είναι υποατομικά σωματίδια με ίσο φορτίο. Για να γίνει εφικτό αυτό, είναι απαραίτητο να ασχοληθούμε με το μέρος της φυσικής που ασχολείται με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και δονήσεων στο υλικό στο οποίο κατοικούν, τα οποία ονομάζονται φωνόνια. Συγκεκριμένα, η επιστημονική έρευνα έχει βρει επιβεβαίωση στο γεγονός ότι τα φωνόνια υψηλής συχνότητας έχουν δείξει μια ιδιαίτερη αποτελεσματικότητα για το σχηματισμό ζευγών Cooper: Ξεκινά από το σημείο ότι η προτιμησιακή διαδρομή για τη χρήση υδρογόνου έχει ανοίξει καθώς η χαμηλή ατομική μάζα του επιτρέπει την πιο εύκολη λήψη δονήσεων συχνότητας, καθιστώντας έτσι τον ιδανικό υποψήφιο για υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας. Οι ενώσεις πλούσιες σε υδρογόνο έχουν γίνει έτσι οι νέοι κανάλια υπεραγωγής.

Ο πρώτος Υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου

Για να επιτευχθεί αυτή η κατάσταση γίνεται εξαναγκασμός του υδρογόνου σε στερεά μορφή, ικανό να είναι υπεραγωγικό χωρίς να χρειάζεται να καταφύγει σε κρυογονικές θερμοκρασίες, ωστόσο, απαιτούνται ιδιαίτερα υψηλές πιέσεις. Επί του παρόντος, η επιστήμη έχει παράγει δύο παραδείγματα αναφοράς: στην πρώτη περίπτωση, το υδρόθειο κατεργάστηκε σε υψηλές πιέσεις, μια διαδικασία που το οδήγησε να διασπάσει και να δημιουργήσει ένα μείγμα καθαρού θείου και άλλων ουσιών με ασυνήθιστη και ασαφή αναλογία μεταξύ υδρογόνου και θείου. Σε μια δεύτερη περίπτωση, το υδρίδιο του λανθανίου σχηματίστηκε με συμπίεση ενός μίγματος υδρογόνου και λανθανίου, τα οποία βρέθηκε ότι είναι πλούσια σε υδρογόνο στην κρυσταλλική του δομή.

Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ κατάφερε να διασπάσει ένα σημαντικό εμπόδιο δείχνοντας την πρώτη χημική ουσία ικανή να δείξει υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου. Προφανώς, όπως συμβαίνει συχνά στον τομέα της επιστημονικής προόδου, ότι λάμπει δεν είναι χρυσός: Οι ερευνητές εξακολουθούν να μην έχουν ξεκάθαρη ιδέα για το τι είναι αυτή η χημική ουσία και, αν από τη μία πλευρά δεν είναι απαραίτητες οι κρυογονικές θερμοκρασίες, από την άλλη, ωστόσο, πρέπει να έχουμε πίεση της τάξεως των 2,5 εκατομμυρίων ατμοσφαιρών.

Όπως αναφέρει επίσης το MIT Technology Review , οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ ακολούθησαν μια διαφορετική πορεία από τις προηγούμενες για να κάνουν την ένωση τους: Επέλεξαν δύο στοιχεία, το θείο και τον άνθρακα, τα οποία στη φύση είναι ήδη σε θέση να σχηματίσουν ενώσεις πλούσιες σε υδρογόνο, πρόσθεσαν υδρογόνο σε αυτό και υπέβαλαν το μείγμα σε προοδευτικά υψηλότερες πιέσεις χρησιμοποιώντας ένα αμόνι διαμαντιού (συσκευή που χρησιμοποιείται για να ασκεί πιέσεις έως 770 gigapascals, ίση με 7,7 εκατομμύρια ατμόσφαιρες) μετρώντας την υπεραγωγιμότητα μέσω πλατίνα.

Οι ερευνητές ξεκίνησαν συμπιέζοντας το μείγμα σε 4 gigapascals, βρίσκοντας το σχηματισμό ενός όχι ιδιαίτερα διαυγούς και ασταθούς υλικού. Αυξάνοντας την πίεση έως και 175 gigapascals, οι ερευνητές βρήκαν μια υπεραγωγική συμπεριφορά με θερμοκρασία 180 K, ίση με -93 ° C, ενώ από εδώ και μετέπειτα, τα πράγματα καλύτερες σαν: Στους 240 gigapascals η κρίσιμη θερμοκρασία ήταν -28 ° C και ήταν απαραίτητο να “ανέβει ” μόνο 250 gigapascals για να αποκτήσει υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία 15 ° C. Αν και η θερμοκρασία είναι ίση με εκείνη που μπορεί να αντιμετωπιστεί με ασφάλεια κάθε φθινοπωρινή μέρα, η πίεση που ασκείται μπορεί να βρεθεί στα βάθη του πλανήτη Δία. Η επιβεβαίωση ότι ήταν πράγματι Η υπεραγωγιμότητα προήλθε από τη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων του υλικού, οι οποίες αποδείχθηκαν να αλλάζουν στις ίδιες θερμοκρασίες με την εκδήλωση της υπεραγωγικής συμπεριφοράς.

Το υδρογόνο είναι απαραίτητο για τους υπεραγωγούς του αύριο

Ωστόσο, το πρόβλημα παραμένει της κατανόησης ποιο είναι το υλικό που σχηματίζεται στην πραγματικότητα. Κανονικά, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μια έρευνα χρησιμοποιώντας κάποια μορφή σάρωσης ακτίνων Χ, αλλά αυτές οι μέθοδοι δεν είναι συμβατές με το αμόνι διαμαντιού που απαιτείται για την επίτευξη των πολύ υψηλών πιέσεων του πειράματος. Στη συνέχεια, οι ερευνητές εκμεταλλεύτηκαν απλούστερες μεθόδους φασματοσκοπικής ανάλυσης και κατάφεραν να εντοπίσουν τους δεσμούς άνθρακα-υδρογόνου και άνθρακα-θείου εντός του υλικού. Ωστόσο, η ανάλυση ήταν δυνατή μόνο σε πιέσεις κάτω από 50 gigapascals και δεν πρέπει να αποκλειστεί (αν και, είναι ιδιαίτερα πιθανό) ότι η αύξηση της πίεσης προκάλεσε το σχηματισμό νέων δεσμών που δεν μπορούσαν να σχηματιστούν σε λιγότερο απαγορευτικές φυσικές συνθήκες.

Δυστυχώς, η δυσκολία να χαρακτηρίσουμε το νέο μυστηριώδες υλικό δεν μας επιτρέπει να καταλάβουμε εάν αυτό που έχει βρεθεί μπορεί να αντιπροσωπεύει ένα σημείο εκκίνησης από το οποίο προσπαθούμε να αποκτήσουμε ένα υπεραγώγιμο υλικό ικανό να λειτουργεί σε λιγότερο απαγορευτικές φυσικές συνθήκες. Αλλά, τουλάχιστον, υπάρχει τώρα ένα νέο κομμάτι του παζλ που φαίνεται να επικυρώνει το γεγονός ότι τα πλούσια σε υδρογόνο υλικά μπορεί να είναι το κλειδί για την επίτευξη υπεραγωγιμότητας σε θερμοκρασία δωματίου .

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Παρακαλώ εισάγετε το σχόλιο σας!
Παρακαλώ εισάγετε το όνομά σας