"Wir glauben, dass dies jetzt eine neue Ära der Supraleitung ist", sagte Russell Hemley, Materialwissenschaftler an der George Washington University in Washington, DC, einer Menge von Forschern am 4. März beim März-Treffen der American Physical Society.
Bilder beleuchteten den Bildschirm hinter ihm: eine schematische Darstellung eines Geräts zum Zerkleinern winziger Dinge zwischen den superharten Punkten gegenüberliegender Diamanten, Diagramme der Temperatur und des elektrischen Widerstands, eine leuchtende Kugel mit einem rauen schwarzen "X" in der Mitte.
Dieses letzte Bild war die Verkörperung der neuen Ära selbst: Eine winzige Probe von Lanthan-Superhydrid (oder LaH10) wurde auf ähnliche Drücke gepresst wie auf halbem Weg durch den Erdkern und mit einem Laser auf Temperaturen erhitzt, die sich einem lebhaften Spätwintertag in Neuengland nähern . (Das ist nach den Maßstäben der Supraleitungsforschung, die normalerweise bei extremer Laborkälte durchgeführt wird, Hitze.) Unter diesen Bedingungen, so Hemley und sein Team, scheint LaH10 der Bewegung von Elektronen zwischen seinen Atomen nicht mehr zu widerstehen. Es wird anscheinend, wie Hemley es in seinem APS-Vortrag und in einem am 14. Januar in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Artikel nannte, ein "Supraleiter bei Raumtemperatur".
Gefrorene Wissenschaft
Bereits 1911 entdeckte die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes, dass bestimmte Substanzen bei extrem niedrigen Temperaturen ungewöhnliche elektrische Eigenschaften aufweisen.
Unter normalen Umständen verliert ein elektrischer Strom, der durch ein leitfähiges Material (wie einen Kupferdraht) fließt, auf dem Weg an Intensität. Selbst die sehr guten Leiter, die wir in unseren Stromnetzen verwenden, sind unvollkommen und transportieren nicht die gesamte Energie von einem Kraftwerk zu Ihrer Steckdose. Einige Elektronen gehen dabei einfach verloren.
Aber Supraleiter sind anders. Ein elektrischer Strom, der in eine Schleife aus supraleitendem Draht eingeleitet wird, kreist ohne Verlust für immer weiter. Supraleiter stoßen Magnetfelder aus und drücken daher Magnete kraftvoll weg. Sie haben Anwendungen im Hochgeschwindigkeits-Computing und anderen Technologien. Das Problem ist, dass die extrem niedrigen Temperaturen, bei denen Supraleiter normalerweise arbeiten, sie für den allgemeinen Gebrauch unpraktisch machen.
Jagd ohne Karte
Seit mehr als einem Jahrhundert suchen Physiker nach Supraleitung in wärmeren Materialien. Aber Supraleitung zu finden ist ein bisschen wie Gold zu schlagen: Frühere Erfahrungen und Theorien sagen Ihnen vielleicht allgemein, wo Sie danach suchen müssen, aber Sie werden nicht wirklich wissen, wo es ist, bis Sie die teure, zeitaufwändige Arbeit der Überprüfung erledigen.
"Sie haben so viele Materialien. Sie haben viel Platz zum Erkunden", sagte Lilia Boeri, eine Physikerin an der Universität Sapienza in Rom, die nach Hemley Arbeiten vorstellte, in denen die Möglichkeit von Supraleitern untersucht wurde, die noch wärmer als LaH10 sind, und erklärte, warum solche Materialien vorhanden sind supraleitend bei extremen Drücken.
1986 entdeckten die Forscher Keramiken, die bei Temperaturen von bis zu 30 Grad über dem absoluten Nullpunkt oder minus 243 Grad Celsius supraleitend waren. Später, in den 1990er Jahren, untersuchten die Forscher zunächst ernsthaft den sehr hohen Druck, um festzustellen, ob sie möglicherweise neue Arten von Supraleitern entdecken.
Zu diesem Zeitpunkt, sagte Boeri gegenüber Live Science, gab es noch keine gute Möglichkeit zu bestimmen, ob sich ein Material als supraleitend herausstellen würde oder bei welcher Temperatur es dies tun würde, bis es getestet wurde. Infolgedessen blieben kritische Temperaturaufzeichnungen - die Temperaturen, bei denen Supraleitung auftritt - sehr niedrig.
"Der theoretische Rahmen war da, aber sie hatten nicht die Möglichkeit, ihn zu nutzen", sagte Boeri.
Der nächste große Durchbruch gelang 2001, als die Forscher zeigten, dass Magnesiumdiborid (MgB2) bei 39 Grad über dem absoluten Nullpunkt oder minus 234 ° C supraleitend war.
"war ziemlich niedrig", sagte sie, "aber zu dieser Zeit war es ein großer Durchbruch, denn es zeigte, dass man Supraleitung mit einer kritischen Temperatur haben konnte, die doppelt so hoch war wie bisher für möglich gehalten."
Wasserstoff zerkleinern
Seitdem hat sich die Suche nach warmen Supraleitern in zweierlei Hinsicht verschoben: Materialwissenschaftler erkannten, dass leichtere Elemente verlockende Möglichkeiten für die Supraleitung bieten. In der Zwischenzeit entwickelten sich Computermodelle so weit, dass Theoretiker im Voraus genau vorhersagen konnten, wie sich Materialien unter extremen Umständen verhalten könnten.
Die Physiker begannen an der offensichtlichen Stelle.
"Sie möchten also leichte Elemente verwenden, und das leichteste Element ist Wasserstoff", sagte Boeri. "Aber das Problem ist Wasserstoff selbst - dies kann nicht supraleitend gemacht werden, weil es ein Isolator ist. Um einen Supraleiter zu haben, muss man ihn zuerst zu einem Metall machen. Man muss etwas damit anfangen und das Beste, was man tun kann." drückt es. "
In der Chemie ist ein Metall so ziemlich jede Ansammlung von Atomen, die miteinander verbunden sind, weil sie in einer frei fließenden Elektronensuppe sitzen. Die meisten Materialien, die wir Metalle nennen, wie Kupfer oder Eisen, sind bei Raumtemperatur und bei angenehmem atmosphärischem Druck metallisch. Andere Materialien können jedoch in extremeren Umgebungen zu Metallen werden.
Theoretisch ist Wasserstoff einer von ihnen. Aber es gibt ein Problem.
"Das erfordert einen viel höheren Druck als mit der vorhandenen Technologie", sagte Hemley in seinem Vortrag.
Das lässt Forscher nach Materialien suchen, die viel Wasserstoff enthalten, der Metalle bildet - und hoffentlich bei erreichbaren Drücken supraleitend wird.
Derzeit, so Boeri, bieten Theoretiker, die mit Computermodellen arbeiten, experimentellen Materialien an, bei denen es sich möglicherweise um Supraleiter handelt. Und die Experimentatoren wählen die besten Optionen zum Testen aus.
Dem Wert dieser Modelle sind jedoch Grenzen gesetzt, sagte Hemley. Nicht jede Vorhersage schwankt im Labor.
"Man kann Berechnungen in dieser Arbeit sehr effektiv einsetzen, aber man muss dies kritisch tun und letztendlich experimentelle Tests durchführen", sagte er der versammelten Menge.
Der "Raumtemperatur-Supraleiter" von Hemley und seinem Team, LaH10, scheint das bisher aufregendste Ergebnis dieser neuen Ära der Forschung zu sein. Eine Probe von LaH10, die auf etwa das 1 Millionfache des Drucks der Erdatmosphäre (200 Gigapascal) zwischen den Punkten zweier gegenläufiger Diamanten zerquetscht wurde, scheint bei 260 Grad über dem absoluten Nullpunkt oder minus 13 ° C supraleitend zu werden.
Ein anderer Versuch, der in derselben Veröffentlichung beschrieben wurde, schien eine Supraleitung bei 280 Grad über dem absoluten Nullpunkt oder 44 ° F (7 ° C) zu zeigen. Das ist eine kühle Raumtemperatur, aber keine allzu schwierige Temperatur.
Hemley beendete seinen Vortrag mit dem Vorschlag, dass diese Hochdruckarbeit später zu Materialien führen könnte, die sowohl bei warmen Temperaturen als auch bei normalen Drücken Supraleiter sind. Vielleicht könnte ein Material, wenn es einmal unter Druck gesetzt wurde, ein Supraleiter bleiben, nachdem der Druck abgelassen wurde, sagte er. Oder vielleicht weisen die Lehren über die chemische Struktur, die bei hohen Temperaturen gezogen wurden, den Weg zu supraleitenden Niederdruckstrukturen.
Das wäre ein Spielveränderer, sagte Boeri.
"Dieses Ding ist im Grunde Grundlagenforschung. Es hat keine Anwendung", sagte sie. "Aber nehmen wir an, Sie haben etwas gefunden, das unter Druck arbeitet, beispielsweise zehnmal niedriger als jetzt. Dies öffnet die Tür für supraleitende Drähte, andere Dinge."
Auf die Frage, ob sie erwartet, in ihrem Leben einen Supraleiter mit Raumtemperatur und Raumdruck zu sehen, nickte sie begeistert.
"Sicher", sagte sie.
