При комнатной температуре сверхпроводник представляет собой материал , который способен проявлять сверхпроводимость при рабочих температурах выше 0 ° С (273 К; 32 & deg ; F), то есть температуры , которые могут быть достигнуты и легко поддерживаться в среде повседневной. По состоянию на 2020 год [Обновить]материал с наивысшей допустимой температурой сверхпроводимости представляет собой углеродсодержащий гидрид серы под чрезвычайно высоким давлением с критической температурой перехода + 15 ° C при 267 ГПа. [1]
При атмосферном давлении рекорд температуры по-прежнему держат купраты , которые продемонстрировали сверхпроводимость при температурах до 138 К (-135 ° C). [2]
Хотя исследователи когда-то сомневались в том, что сверхпроводимость при комнатной температуре действительно достижима, [3] [4] сверхпроводимость неоднократно обнаруживалась при температурах, которые ранее были неожиданными или считались невозможными.
Заявления о переходных эффектах "температуры, близкой к комнатной", относятся к началу 1950-х годов. Обнаружение сверхпроводника при комнатной температуре «имело бы огромное технологическое значение и, например, помогло бы решить мировые энергетические проблемы, создать более быстрые компьютеры, создать новые устройства памяти и включить сверхчувствительные датчики, среди многих других возможностей». [4] [5]
Можно ли создать сверхпроводящий материал при комнатной температуре и атмосферном давлении?
Отчеты
С момента открытия высокотемпературных сверхпроводников сообщалось, что некоторые материалы являются сверхпроводниками при комнатной температуре , хотя большинство из этих сообщений не подтвердились. [ необходима цитата ]
В 2000 году , в то время извлечения электронов из алмаза в ходе ионной имплантации работы, Йохан Принс утверждал, что наблюдается явление , что он , как объяснено при комнатной температуре в течение сверхпроводимости фазы , образованной на поверхности типа кислородно-легированных IIa алмазов в 10 -6 мбар вакууме . [6]
В 2003 году группа исследователей опубликовала результаты по высокотемпературной сверхпроводимости в гидриде палладия (PdH x : x> 1) [7] и объяснение в 2004 году. [8] В 2007 году та же группа опубликовала результаты, предполагающие, что температура сверхпроводящего перехода составляет 260 К. [9] Критическая температура сверхпроводимости увеличивается с увеличением плотности водорода внутри решетки палладия. Эта работа не была подтверждена другими группами.
В 2012 году в статье Advanced Materials говорится о сверхпроводящем поведении графитового порошка после обработки чистой водой при температурах до 300 К и выше. [10] [ ненадежный источник? ] Пока авторам не удалось продемонстрировать наличие четкой фазы Мейснера и исчезновение сопротивления материала.
В 2014 году в статье, опубликованной в журнале Nature, было высказано предположение, что некоторые материалы, в частности YBCO ( оксид иттрия, бария, меди ), могут быть превращены в сверхпроводники при комнатной температуре с использованием инфракрасных лазерных импульсов. [11]
В 2015 году в статье, опубликованной в журнале Nature исследователи из Института Макса Планка, было высказано предположение, что при определенных условиях, таких как экстремальное давление, H 2 S переходит в сверхпроводящую форму H 3 S при 150 ГПа (примерно в 1,5 миллиона раз превышающем атмосферное давление) в ячейке с алмазной наковальней. . Критическая температура составляет 203 К (-70 ° C), что будет самым высоким значением T c из когда-либо зарегистрированных, и их исследования показывают, что другие водородные соединения могут иметь сверхпроводимость при температуре до 260 K (-13 ° C), что соответствует исходным исследованиям. Эшкрофта. [12] [13]
В 2018 году Дев Кумар Тапа и Аншу Пандей из отдела твердотельной и структурной химии Индийского института науки в Бангалоре заявили о наблюдении сверхпроводимости при атмосферном давлении и комнатной температуре в пленках и гранулах наноструктурированного материала, состоящего из частиц серебра. залита золотой матрицей [14] Из-за схожих характеристик шума предположительно независимых сюжетов и отсутствия в публикации экспертной оценки результаты были поставлены под сомнение. [15] Хотя исследователи подтвердили свои выводы в более поздней статье в 2019 году, [16] это утверждение еще предстоит проверить и подтвердить. [ необходима цитата ]
Также в 2018 году исследователи отметили возможную сверхпроводящую фазу при 260 К (-13 ° C) в декагидриде лантана при повышенном (200 ГПа ) давлении. [17]
В 2019 году материалом с самой высокой допустимой температурой сверхпроводимости был декагидрид лантана под высоким давлением (LaH 10 ), температура перехода которого составляет примерно 250 К (-23 ° C). [18] [19]
В октябре 2020 года сообщалось о сверхпроводимости при комнатной температуре при 288 K (при 15 ° C) в углеродистом гидриде серы при очень высоком давлении (267 ГПа), вызванном кристаллизацией с помощью зеленого лазера. [20] [21]
В начале 2021 года было объявлено о сверхпроводимости при комнатной температуре в слоистом иттрий-палладий-гидронном материале при 262 К и давлении 187 ГПа. Палладий может действовать как катализатор миграции водорода в материале. [22]
Теории
Теоретическая работа британского физика Нила Эшкрофта предсказала, что твердый металлический водород при чрезвычайно высоком давлении (~ 500 ГПа ) должен стать сверхпроводящим примерно при комнатной температуре из-за его чрезвычайно высокой скорости звука и ожидаемой сильной связи между электронами проводимости и колебаниями решетки ( фононы ). [23] Это предсказание еще предстоит проверить экспериментально, поскольку давление для получения металлического водорода неизвестно, но может быть порядка 500 ГПа .
Команда из Гарвардского университета заявила, что создала металлический водород, и сообщает о давлении 495 ГПа. [24] Хотя точная критическая температура еще не определена, слабые признаки возможного эффекта Мейснера и изменения магнитной восприимчивости при 250 К, возможно, появились в ранних испытаниях магнитометра на исходном ныне утерянном образце и анализируются французской командой. работа с формами пончиков, а не с плоскими кончиками ромбовидных калет. [25]
В 1964 году Уильям А. Литтл предположил возможность высокотемпературной сверхпроводимости в органических полимерах . [26] Это предложение основано на спаривании электронов, опосредованном экситонами , в отличие от спаривания, опосредованного фононами в теории БКШ .
В 2016 году исследования показали связь между гидридом палладия, содержащим небольшие примеси наночастиц серы, как правдоподобное объяснение аномальных переходных падений сопротивления, наблюдаемых во время некоторых экспериментов, и поглощение водорода купратами было предложено в свете результатов 2015 года в H 2 S как правдоподобное объяснение кратковременных падений сопротивления или «USO», замеченное в 1990-х годах Chu et al. во время исследований после открытия YBCO . [ необходима цитата ] [27] Также возможно, что, если объяснение биполяронов верно, обычно полупроводниковый материал может переходить при некоторых условиях в сверхпроводник, если превышен критический уровень переменного спинового взаимодействия в одной плоскости внутри решетки; это, возможно, было задокументировано в очень ранних экспериментах с 1986 года. Лучшей аналогией здесь было бы анизотропное магнитосопротивление , но в этом случае результатом будет падение до нуля, а не уменьшение в очень узком температурном диапазоне для тестируемых соединений, подобных « re -входящая сверхпроводимость ». [ необходима цитата ]
В 2018 году была обнаружена поддержка электронов, имеющих аномальные спиновые состояния 3/2 в YPtBi. [28] Хотя YPtBi является относительно низкотемпературным сверхпроводником, это предполагает другой подход к созданию сверхпроводников.
Было также обнаружено , что многие сверхпроводники, в том числе купратами и железа пниктидов , имеют два или более конкурирующих механизмов , борющихся за доминирование ( плотность заряда волны ) [ править ] и экситонные состояния так, как с органическими светоизлучающие диоды и другие квантовые системы, добавив , катализатор правильного центрифугирования может сам по себе увеличивать T c . Возможным кандидатом может быть иридий или золото, помещенные в некоторые из соседних молекул или в виде тонкого поверхностного слоя, поэтому правильный механизм затем распространяется по всей решетке, подобно фазовому переходу. Пока это предположение; Были предприняты некоторые усилия, в частности добавление свинца в BSCCO , который, как хорошо известно, способствует образованию фаз с высоким T c только за счет химии. Однако релятивистские эффекты, подобные тем, которые обнаруживаются в свинцово-кислотных батареях, могут быть ответственны за это, предполагая, что аналогичный механизм в купратах на основе ртути или таллия может быть возможен с использованием родственного металла, такого как олово .
Любой такой катализатор должен быть химически неактивным, но иметь свойства, которые влияют на один механизм, но не на другие, а также не мешают последующим этапам отжига и оксигенации, а также не изменяют чрезмерно резонансы решетки. Возможным обходным решением обсуждаемых проблем было бы использование сильных электростатических полей для удержания молекул на месте во время одного из этапов, пока не сформируется решетка. [ оригинальное исследование? ]
Некоторые исследовательские усилия в настоящее время продвигаются в сторону тройных супергидридов , где было предсказано, что Li 2 MgH 16 будет иметь T c 473 K (200 ° C) при 250 ГПа [29] [30] (намного горячее, чем обычно считается комнатная температура).
Смотрите также
- Постоянный ток - Постоянный электрический ток, не требующий внешнего источника питания
Рекомендации
- ^ Снайдер, Эллиот; Дасенброк-Гаммон, Натан; Макбрайд, Раймонд; Дебессай, Мэтью; Виндана, Хиранья; Венкатасами, Кевин; Лоулер, Кейт V .; Саламат, Ашкан; Диас, Ранга П. (15 октября 2020 г.). «Комнатная сверхпроводимость в углеродистом гидриде серы». Природа . 586 (7829): 373–377. DOI : 10.1038 / s41586-020-2801-Z . PMID 33057222 .
- ^ Dai, P .; Чакумакос, Британская Колумбия; Вс, GF; Вонг, кВт; Xin, Y .; Лу, Д.Ф. (1995). «Синтез и нейтронное порошковое исследование сверхпроводника HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 + δ путем замещения Tl». Physica C . 243 (3–4): 201–206. Bibcode : 1995PhyC..243..201D . DOI : 10.1016 / 0921-4534 (94) 02461-8 .
- ^ Гебалле, TH (12 марта 1993 г.). «Пути к более высокотемпературным сверхпроводникам». Наука . 259 (5101): 1550–1551. Bibcode : 1993Sci ... 259.1550G . DOI : 10.1126 / science.259.5101.1550 . PMID 17733017 .
- ^ а б "Институт Альмадена 2012: Сверхпроводимость 297 K - Синтетические пути к сверхпроводимости при комнатной температуре" . исследователь.watson.ibm.com . 25 июля 2016 г.
- ^ НОВА. Гонка за сверхпроводником. Общественное телевидение WGBH Бостон. Примерно 1987 г.
- ^ Принс, Йохан Ф (1 марта 2003 г.). «Алмазный вакуумный интерфейс: II. Извлечение электронов из алмаза n-типа: свидетельство сверхпроводимости при комнатной температуре». Полупроводниковая наука и технология . 18 (3): S131 – S140. Bibcode : 2003SeScT..18S.131P . DOI : 10.1088 / 0268-1242 / 18/3/319 .
- ^ Tripodi, P .; Di Gioacchino, D .; Borelli, R .; Винко, JD (май 2003 г.). «Возможность высокотемпературных сверхпроводящих фаз в PdH». Physica C: сверхпроводимость . 388–389: 571–572. Bibcode : 2003PhyC..388..571T . DOI : 10.1016 / S0921-4534 (02) 02745-4 .
- ^ Tripodi, P .; Di Gioacchino, D .; Винко, JD (август 2004 г.). «Сверхпроводимость в PdH: феноменологическое объяснение». Physica C: сверхпроводимость . 408–410: 350–352. Bibcode : 2004PhyC..408..350T . DOI : 10.1016 / j.physc.2004.02.099 .
- ^ Tripodi, P .; Di Gioacchino, D .; Винко, JD (2007). «Обзор высокотемпературных сверхпроводящих свойств системы PdH». Международный журнал современной физики B . 21 (18 и 19): 3343–3347. Bibcode : 2007IJMPB..21.3343T . DOI : 10.1142 / S0217979207044524 .
- ^ Scheike, T .; Böhlmann, W .; Esquinazi, P .; Barzola-Quiquia, J .; Ballestar, A .; Сетцер, А. (2012). «Может ли легирование графита вызвать сверхпроводимость при комнатной температуре? Доказательства высокотемпературной сверхпроводимости гранул в водоочищенном графитовом порошке». Современные материалы . 24 (43): 5826–31. arXiv : 1209,1938 . Bibcode : 2012arXiv1209.1938S . DOI : 10.1002 / adma.201202219 . PMID 22949348 . S2CID 205246535 .
- ^ Mankowsky, R .; Subedi, A .; Först, M .; Mariager, SO; Chollet, M .; Лемке, HT; Робинсон, JS; Glownia, JM; Минитти, депутат; Frano, A .; Fechner, M .; Спалдин Н.А .; Loew, T .; Keimer, B .; Жорж, А .; Каваллери, А. (2014). «Нелинейная динамика решетки как основа повышенной сверхпроводимости в YBa 2 Cu 3 O 6.5 ». Природа . 516 (7529): 71–73. arXiv : 1405,2266 . Bibcode : 2014Natur.516 ... 71M . DOI : 10,1038 / природа13875 . PMID 25471882 . S2CID 3127527 .
- ^ Картлидж, Эдвин (18 августа 2015 г.). «Рекорд сверхпроводимости вызывает волну последующей физики» . Природа . 524 (7565): 277. Bibcode : 2015Natur.524..277C . DOI : 10.1038 / nature.2015.18191 . PMID 26289188 .
- ^ Ge, YF; Zhang, F .; Яо, Ю.Г. (2016). «Первопринципная демонстрация сверхпроводимости при 280 K (7 ° C) в сероводороде с низким замещением фосфора» . Phys. Rev. B . 93 (22): 224513. arXiv : 1507.08525 . Bibcode : 2016PhRvB..93v4513G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.93.224513 . S2CID 118730557 .
- ^ Тапа, Дев Кумар; Пандей, Аншу (2018). «Доказательства сверхпроводимости при температуре и давлении окружающей среды в наноструктурах». arXiv : 1807.08572 . Bibcode : 2018arXiv180708572T . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Десикан, Шубашри (18 августа 2018 г.). «Утверждение дуэта IISc об окружающей сверхпроводимости может иметь теоретическую поддержку» . Индус . Проверено 4 октября 2018 года .
- ^ Prasad, R .; Десикан, Шубашри (25 мая 2019 г.). «Наконец, команда IISc подтвердила прорыв в области сверхпроводимости при комнатной температуре» . Индус - через www.thehindu.com.
- ^ Грант, Эндрю (23 августа 2018 г.). «Сверхпроводники под давлением приближаются к области комнатной температуры». Физика сегодня . DOI : 10.1063 / PT.6.1.20180823b .
- ^ Сомаязулу, М .; Ahart, M .; Мишра, AK; Гебалле, ЗМ; Бальдини, М .; Meng, Y .; Стружкин, В.В.; Хемли, Р.Дж. (2019). «Доказательства сверхпроводимости выше 260 К в супергидриде лантана при мегабарных давлениях». Phys. Rev. Lett . 122 (2): 027001. arXiv : 1808.07695 . Bibcode : 2019PhRvL.122b7001S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.122.027001 . PMID 30720326 . S2CID 53622077 .
- ^ Дроздов А.П .; Kong, PP; Миньков ВС; Беседин, ИП; Кузовников, М.А. Mozaffari, S .; Balicas, L .; Балакирев Ф.Ф .; Graf, DE; Пракапенко, В.Б .; Greenberg, E .; Князев Д.А.; Ткач, М .; Еремец М.И. (2019). «Сверхпроводимость при 250 К в гидриде лантана при высоких давлениях». Природа . 569 (7757): 528–531. arXiv : 1812.01561 . Bibcode : 2019Natur.569..528D . DOI : 10.1038 / s41586-019-1201-8 . PMID 31118520 . S2CID 119231000 .
- ^ Кеннет Чанг (14 октября 2020 г.). «Наконец, первый сверхпроводник, работающий при комнатной температуре» . Нью-Йорк Таймс .
- ^ Снайдер, Эллиот; Дасенброк-Гаммон, Натан; Макбрайд, Раймонд; Дебессай, Мэтью; Виндана, Хиранья; Венкатасами, Кевин; Лоулер, Кейт V .; Саламат, Ашкан; Диас, Ранга П. (октябрь 2020 г.). «Комнатная сверхпроводимость в углеродистом гидриде серы». Природа . 586 (7829): 373–377. DOI : 10.1038 / s41586-020-2801-Z . PMID 33057222 .
- ^ https://phys.org/news/2021-03-material-superconductive-room-temperature-pressure.html
- ^ Эшкрофт, NW (1968). «Металлический водород: высокотемпературный сверхпроводник?». Письма с физическим обзором . 21 (26): 1748–1749. Bibcode : 1968PhRvL..21.1748A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.21.1748 .
- ^ Ян Джонстон (26 января 2017 г.). «Водород превратился в металл в потрясающем акте алхимии, который может произвести революцию в технологиях и космических полетах» . Независимый .
- ^ Лубейр, Поль; Очелли, Флоран; Дюма, Поль (2019). «Наблюдение фазового перехода первого рода в металлический водород около 425 ГПа» . arXiv : 1906.05634 . Bibcode : 2019arXiv190605634L . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Литтл, Вашингтон (1964). «Возможность синтеза органического сверхпроводника». Физический обзор . 134 (6A): A1416 – A1424. Bibcode : 1964PhRv..134.1416L . DOI : 10.1103 / PhysRev.134.A1416 .
- ^ Переходная высокотемпературная сверхпроводимость в гидриде палладия . Университет Гриффита (диссертация Гриффита). Университет Гриффита. 2016 г.
- ^ Макдональд, Фиона (9 апреля 2018 г.). «Физики только что открыли совершенно новый тип сверхпроводимости» .
- ^ Солнце, Инь; Lv, Jian; Се, Ю; Лю, Ханью; Ма, Янмин (26 августа 2019 г.). «Путь к сверхпроводящей фазе выше комнатной температуры в электронно-легированных гидридных соединениях под высоким давлением». Письма с физическим обзором . 123 (9): 097001. Bibcode : 2019PhRvL.123i7001S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.123.097001 . PMID 31524448 .
Недавнее теоретически обоснованное открытие рекордной высокотемпературной сверхпроводимости ( T c ∼250 K) в содалитоподобном клатрате LaH 10 является важным шагом в направлении создания сверхпроводников при комнатной температуре. Здесь мы идентифицируем альтернативную клатратную структуру в тройном Li 2 MgH 16 с удивительно высокой оценкой T c ~ 473 K при 250 ГПа, что может позволить нам получить сверхпроводимость при комнатной или даже более высокой температуре.
- ^ Extance, Энди (1 ноября 2019 г.). «Гонка за первым сверхпроводником при комнатной температуре продолжается» . www.chemistryworld.com . Королевское химическое общество . Проверено 30 декабря 2019 .
В августе Ма и его коллеги опубликовали исследование, которое показало многообещающие возможности тройных супергидридов. Они предсказали, что Li 2 MgH 16 будет иметь T c 473 ° K при 250 ГПа , что намного превышает комнатную температуру.