Υπεραγωγιμότητα: Από την ανακάλυψή της στη Νέα Εποχή – Βαδίζοντας στο δρόμο για υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου

Η υπεραγωγιμότητα, η ικανότητα ενός υλικού να άγει τον ηλεκτρισμό χωρίς καμία αντίσταση, παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1911 σε στερεό υδράργυρο κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία [T(c)] των 4,2 βαθμών Κέλβιν. Από τότε, αμέτρητοι επιστήμονες ερευνούν για υλικό του οποίου η T(c) ξεπερνά τη θερμοκρασία δωματίου. Για πολύ καιρό αυτό το ιερό δισκοπότηρο έμοιαζε ανέφικτο – μια γραμμική συναγωγή της ερευνητικής προόδου από το 1911 μέχρι το 1970 υποδήλωνε ότι η T(c) θα έφθανε τη θερμοκρασία δωματίου το έτος 2840! Η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας σε οξείδια του χαλκού ανέβασε την T(c) πάνω από τη θερμοκρασία υγρού ηλίου. Από το 1994, ένα από τα οξείδια του χαλκού έχει κρατήσει το ρεκόρ για την υψηλότερη T(c) (133 βαθμοί Κέλβιν σε ατμοσφαιρική πίεση και 164 βαθμοί Κέλβιν υπό υψηλή πίεση). Παρά την εντατική έρευνα, πήρε άλλα 20 χρόνια να ξεπεραστεί το ρεκόρ αυτό σε μια εντελώς νέα κατηγορία συστημάτων: Το 2015, η συμπίεση υδρόθειου (H2S) στα 150 γιγαπασκάλ, ή περίπου στο 40% της πίεσης που υπάρχει στον πυρήνα της Γης, απέδωσε μια T(c) των 203 βαθμών Κάλβιν.

Πριν από τη χρονιά αυτή, το 1968, ο φυσικός Neil Ashcroft προέβλεψε ότι το μεταλλικό υδρογόνο θα έχει όλες τις ιδιότητες που απαιτούνται για να είναι ένας υπεραγωγός υψηλής θερμοκρασίας σύμφωνα με τη θεωρία Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Δυστυχώς, η μεταλλοποίηση υδρογόνου σε πειράματα στατικής συμπίεσης αποδείχθηκε εξαιρετικά δύσκολη. Ο Ashcroft περαιτέρω προέβλεψε ότι ορισμένα πλούσια σε υδρογόνο στερεά θα μπορούσαν να γίνουν μεταλλικά σε χαμηλότερες πιέσεις από ότι το στοιχείο υδρογόνο και ότι θα κατείχαν τις ίδιες ιδιότητες που συντελούν σε υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγιμότητα. Η υπόθεση αυτή λειτούργησε καταλυτικά στην έρευνα για υπεραγωγιμότητα σε συμπιεσμένους υδρίτες – στερεά που περιέχουν άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα με άλλα στοιχεία.

Για να μελετήσουν την υπεραγωγιμότητα σε αυτά τα συμπιεσμένα υλικά, οι ερευνητές χρειάζεται να πραγματοποιήσουν στατικά υψηλής πίεσης πειράματα στα οποία τα υλικά συμπιέζονται σε ειδικές συσκευές – κελιά συμπίεσης. Τέτοια πειράματα είναι ακριβά, τεχνικώς απαιτητικά και δύσκολα μπορούν να ερμηνευτούν. Ακόμη περισσότερο, οι φάσεις του υλικού που είναι σταθερές υπό πίεση μπορεί να είναι διαφορετικές από αυτές που γνωρίζουμε να συμβαίνουν σε ατμοσφαιρικές συνθήκες. Ως αποτέλεσμα, οι υπολογισμοί που βασίζονται στην κβαντομηχανική έχουν γίνει εξαιρετικά σημαντικοί στην διευθέτηση αυτών των πειραμάτων, ιδιαίτερα με τον εντοπισμό υποσχόμενων ενώσεων.

(Αριστερά) Σχηματικά η ειδική συσκευή συμπίεσης (diamond anvil cell) που χρησιμοποιείται για τη μελέτη του LaH10. (Δεξιά) Σχηματικά η κρυσταλλική δομή του LaH10.

Την τελευταία δεκαετία, αυτές οι θεωρητικές και υπολογιστικές τεχνικές εστίασαν σε διπλούς υδρίτες. Οι ερευνητές υπολόγισαν εξαιρετικά υψηλές τιμές T(c) – ορισμένες ακόμη να υπερβαίνουν τη θερμοκρασία δωματίου – για υδρίτες που περιέχουν μέταλλα αλκαλικών γαιών ή μέταλλα σπάνιων γαιών. Το 2017, για παράδειγμα, επιστημονικές ομάδες προέβλεψαν ότι ορισμένοι υδρίτες σπάνιων γαιών με μεγάλη αναλογία υδρογόνου/μετάλλου θα γινόταν σταθεροί σε πιέσεις που είναι εφικτές στις ειδικές συσκευές, στα κελιά συμπίεσης. Αυτά τα πλούσια σε υδρογόνο υλικά έχουν κρυσταλλικές δομές, που θυμίζουν όμοιες με κλωβό δομές χημικών ενώσεων που ονομάζονται καλθράτες (clathrates) [ενώσεις εγκλεισμού]. Ένας από τους πλέον υποσχόμενους υδρίτες, ο υδρίτης λανθανίου (LaH10), συνίσταται από πλέγμα υδρογόνου που διαμορφώνεται με πολύεδρα με τετράγωνες ή εξαγωνικές όψεις, με ένα άτομο μετάλλου σπάνιας γαίας που βρίσκεται στο κέντρο του κάθε πολυέδρου. Υποθέτοντας ότι αυτό το σύστημα θα μπορούσε να περιγραφεί από τη θεωρία BCS, οι ερευνητές πρόβλεψαν την T(c) να βρίσκεται μεταξύ 270 και 290 βαθμών Κέλβιν στα περίπου 200 γιγαπασκάλ.

Είναι αξιοσημείωτο ότι δυο ανεξάρτητες ομάδες, η πρώτη υπό τον Russell Hemley στο Πανεπιστήμιο George Washington, στην Washington, της Περιφέρειας της Κολούμπια, και η δεύτερη υπό τον Mikhail Eremets στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Χημεία, στη Γερμανία, έχουν αναφέρει πειράματα που δείχνουν ότι ο υδρίτης λανθανίου συμπιεσμένος σε 170-185 γιγαπασκάλ έχει μια T(c) των 250-260 βαθμών Κέλβιν. Τα αποτελέσματα προμηνύονται καλά για την έρευνα για υπεραγωγούς θερμοκρασίας δωματίου – τα αναφερόμενα υλικά θα μπορούσαν ήδη να λειτουργούν χωρίς να απαιτείται ψύξη σε θερμοκρασία μιας μέσης χειμερινής νύχτας στην Αρκτική!

Πηγή: American Physical Society