Forró szupravezető nagy nyomás alatt
2020. október 15. - Szobahőmérsékleten a gyémánt üllő cellában lévő szén-tartalmú kén-hidrid ellenállás nélküli áramvezetést mutat.
A szilárdtestfizikusok évtizedek óta egyre magasabb átmeneti hőmérsékletű szupravezetők után kutatnak. A kerámia réz-oxidok normál nyomáson szupravezető állapotba változnak 138 Kelvin-től. Másrészt nagy nyomás alatt a hidrogénben gazdag vegyületek még magasabb átmeneti hőmérsékleteket érnek el. Most a Rochester Egyetem Ranga Diasszal dolgozó fizikusainak sikerült először kifejleszteniük egy szupravezetőt hűvös szobahőmérsékleten, 288 Kelvin hőmérsékleten. Ehhez azonban a széntartalmú kén-hidridet 267 gigapascálos gyémánt üllő cellában kellett összenyomni.
Dias és munkatársai kutatásaikat a hidrogénre összpontosították. "Mivel magas hőmérsékletű szupravezető megszerzéséhez erős kötésekre és könnyű elemekre van szükség" - mondja Dias. A hidrogénmolekulák erős kémiai kötéseikkel pontosan megfelelnek ezeknek a feltételeknek. Mivel a tiszta hidrogént még nagy nyomáson is nehéz fémes állapotgá alakítani, a kutatók kénvegyületet szintetizáltak, amely hidrogénben gazdag és szenet is tartalmazott. Ehhez először az elemi ként és a szenet egyensúlyi moláris arányban préselték össze a gyémánt szerszámcellában. Aztán hagyták hidrogéngáz áramlását a minta körül. Fotokémiai folyamat kezdődött lézerfény alatt, amely aztán a széndús kénhidridet állította elő.
Ennek az anyagnak a szupravezetővé történő átalakításához rendkívül nagy nyomásokra volt szükség. Dias és munkatársai ezért akár 267 gigapascal nyomást gyakoroltak a mintára, ami nagyjából 2,5 milliószorosa a légköri nyomásnak. Ezen nyomás alatt az anyag elektronikus tulajdonságai drámai módon megváltoztak. A kénhidrid ellenállás nélküli áramvezetést mutatott még 287,7 Kelvin hőmérsékleten is - azaz szobahőmérséklet körül -, amelyet csatlakoztatott platinaelektródákkal lehetett mérni. Egy másik szupravezető tesztben a kutatók a mágneses érzékenység diamagnetikus átmenetét keresték. A növekvő nyomással az érzékenység egyértelmű csökkenése egyre magasabb hőmérsékletekre vált át. Bemutatták a legmagasabb átmeneti hőmérsékletet 198 Kelvin hőmérsékleten és 189 gigapascálos nyomást. Ennél a mágneses tér tesztnél még nagyobb nyomást sem lehetett kísérleti úton létrehozni, mivel a kis mintaméret 25-35 mikrométer volt.
Ez a kísérlet azt mutatja, hogy a hidrogénben gazdag vegyületek valójában az egyre forróbb fémes szupravezetők alapját képezik. Előtte a mainzi Max Planck Kémiai Intézet Mikhail Eremets körüli munkacsoportja tartotta a hőmérsékleti rekordot. Egy tavalyi nagynyomású kísérlet során azt is kimutatták, hogy a lantán-hidrid (LaH10) mínusz 23 Celsius fokos és 170 gigapascálos kritikus hőmérsékleten már nem mutat elektromos ellenállást. Mivel a szupravezetés önmagában az ellenállás mérésével nem bizonyítható egyértelműen, a kutatók további mágneses tér méréseket is végeztek. Megfigyelték, hogy a mágneses mező megzavarja a szupravezetést, és áttér az alacsonyabb hőmérsékletekre. Néhány évvel korábban Eremets és munkatársai felfedezték, hogy a hidrogén-szulfid mínusz 70 Celsius fokos nyomáson 250 gigapascál nyomás alatt szupravezetővé válik.
De a magas átmeneti hőmérséklet ellenére az új széndús kén-hidrid sem alkalmas villamos vezetékek számára. Mivel technikailag ilyen nagy nyomás csak kis mintákkal érhető el gyémánt üllő cellákban. Dias azonban optimista abban, hogy hidrogénben gazdag vegyületeivel jó úton járjon. A hidridvegyületek összetételének megváltoztatásával azt reméli, hogy képes lesz megközelíteni a szupravezetőt szobahőmérsékleten, ugyanakkor egyre alacsonyabb nyomáson. Ha ez sikerül, akkor nemcsak veszteségmentes villanyvezetékeket vonz, amelyek nagy számú erőművet takaríthatnak meg. Az ilyen forró szupravezetők érdekesek lehetnek a mágneses levitációs vonatok, az erősebb mágneses rezonancia tomográfok és még a speciális típusú kvantum számítógépek számára is.