Rochester Üniversitesi bilim adamları, düşük sıcaklıklarda ve basınçlarda pratik kullanıma uygun bir süper iletken madde geliştirerek önemli bir atılım gerçekleştirerek tarihi bir başarıya imza attılar.
{ 7}Araştırmacılar yalnızca sıcaklığı yükseltmekle kalmadı, aynı zamanda süper iletkenliğe ulaşmak için gereken basıncı da düşürdü.
Tarihi bir başarı olarak, Rochester Üniversitesi araştırmacıları hem düşük sıcaklıkta hem de basınçta süper iletken bir malzeme yarattılar. pratik uygulamalar için yeterli.
Makine mühendisliği ve fizik yardımcı doçenti Ranga Dias liderliğindeki bir ekibe göre, “Bu malzemeyle, ortam süperiletkenliği ve uygulamalı teknolojilerin doğuşu geldi”. Nature dergisinde 8 Mart’ta yayınlanan bir makalede araştırmacılar, 69 Fahrenhayt derece ve 10 kilobar (inç kare başına 145.000 pound veya psi) basınçta süper iletkenlik sergileyen nitrojen katkılı bir lutesyum hidrürü (NDLH) tanımlıyor.
145.000 psi hâlâ olağanüstü yüksek görünse de (deniz seviyesindeki basınç yaklaşık 15 psi’dir), örneğin çip üretiminde rutin olarak kullanılan gerinim mühendisliği teknikleri, daha da yüksek olan iç kimyasal basınçlarla bir arada tutulan malzemeleri bir arada kullanır.
Araştırmacılar yalnızca sıcaklığı yükseltmekle kalmadı, aynı zamanda süper iletkenlik elde etmek için gereken basıncı da düşürdü. Kredi: Rochester Üniversitesi / AJ Pow
Bilim adamları, yüzyılı aşkın bir süredir yoğun madde fiziğindeki bu buluşu takip ediyorlar. Süper iletken malzemelerin iki temel özelliği vardır: elektrik direnci kaybolur ve dışarı atılan manyetik alanlar süper iletken malzemenin etrafından geçer. Bu tür malzemeler şunları sağlayabilir:
- Şu anda tellerdeki direnç nedeniyle oluşan 200 milyon megavat saate (MWh) kadar enerji kaybı olmadan elektriği ileten elektrik şebekeleri
- Sürtünmesiz, havaya yükselen yüksek hızlı trenler
- MRI ve manyetokardiyografi gibi daha uygun fiyatlı tıbbi görüntüleme ve tarama teknikleri
- Dijital mantık ve bellek cihazı teknolojisi için daha hızlı, daha verimli elektronikler
- Tokamak sınırsız güç kaynağı olarak füzyon elde etmek için plazmaları sınırlamak üzere manyetik alanları kullanan makineler
Daha önce, Dias ekibi 58 Fahrenhayt derecede süper iletken olan iki malzeme (karbonlu kükürt hidrit ve itriyum süperhidrit) yarattığını bildirdi. Nature and Physical Review Letters’daki makalelerde sırasıyla /39 milyon psi ve 12 Fahrenhayt derece/26 milyon psi.
Lütesiyum hidrürün yaklaşık bir milimetre çapında bir örneği, bir süper iletken malzeme Rochester biliminin laboratuvarı ist Ranga Dias, mikroskopla görülüyor. Bu bileşik görüntü, odak istiflemenin ve birkaç görüntünün renk geliştirmesinin sonucudur. Kaynak: University of Rochester fotoğrafı / J. Adam Fenster)
Yeni keşfin önemi göz önüne alındığında, Dias ve ekibi araştırmalarını belgelemek ve eleştirilerin önüne geçmek{20 } önceki Nature makalesinin ardından geliştirilen ve derginin editörlerinin geri çekmesine yol açan. Dias’a göre önceki makale, önceki çalışmayı doğrulayan yeni verilerle Nature’a yeniden gönderildi. Yeni veriler, laboratuvarın dışında, Argonne ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarlarında, süperiletken geçişi canlı olarak gören bilim adamlarından oluşan bir seyirci kitlesinin önünde toplandı. Yeni makale için benzer bir yaklaşım izlendi.
Dias’ın laboratuvarındaki beş yüksek lisans öğrencisi—Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan ve Dylan Durkee—yardımcı yazarlar olarak listeleniyor. Dias, “Gruptaki herkes deneylerin yapılmasına dahil oldu” diyor.Teknik terimlerle, nadir toprak metal hidritleri, nadir toprak metal iyonlarının taşıyıcı donörler olarak hareket ettiği ve H2 moleküllerinin ayrışmasını artıracak yeterli elektronlar sağladığı klatrat benzeri kafes yapıları oluşturur. Nitrojen ve karbon, malzemeleri stabilize etmeye yardımcı olur. Alt satır: süperiletkenliğin oluşması için daha az basınç gerekir.
Araştırmacılar, itriyuma ek olarak başka nadir toprak metalleri de kullandılar. Ancak ortaya çıkan bileşikler, uygulamalar için hâlâ pratik olmayan sıcaklıklarda veya basınçlarda süper iletken hale gelir.
Dolayısıyla, Dias bu sefer periyodik tablonun başka bir yerine baktı.
Ranga Dias (solda) ve Nugzari Khalvashi-Sutter ’23, Dias’ın Hopeman Hall’daki gelişmiş spektroskopi laboratuvarında bir lazer dizisini ayarlıyor. Kaynak: University of Rochester fotoğrafı / J. Adam Fenster
Lutesyum, “denemek için iyi bir aday” gibi görünüyordu, diyor Dias. Fonon yumuşamasını baskılayan ve süperiletkenliğin ortam sıcaklıklarında gerçekleşmesi için gereken elektron-fonon eşleşmesini güçlendiren f yörünge konfigürasyonunda oldukça lokalize tam dolu 14 elektrona sahiptir. “Asıl soru şuydu: Gerekli baskıyı azaltmak için bunu nasıl dengeleyeceğiz? İşte nitrojen burada devreye girdi.”
Azot, karbon gibi, bir malzeme içinde daha kararlı, kafes benzeri bir kafes oluşturmak için kullanılabilen sert bir atomik yapıya sahiptir ve düşük frekansı sertleştirir. Dias’a göre optik fononlar. Bu yapı, süperiletkenliğin daha düşük basınçta oluşması için kararlılık sağlar.
Dias’ın ekibi, yüzde 99 hidrojen ve yüzde bir nitrojenden oluşan bir gaz karışımı oluşturdu, bunu saf bir lutesyum örneğiyle bir reaksiyon odasına yerleştirdi ve bileşenler 392 Fahrenheit derecede iki ila üç gün reaksiyona girer.
Laboratuvarı uygulanabilir bir süper iletken malzeme oluşturan Ranga Dias, “Ortam süper iletkenliği ve uygulamalı teknolojilerin doğuşu geldi” diyor. “reddmatter” adını verdim. Kaynak: University of Rochester fotoğrafı / J. Adam Fenster
Ortaya çıkan lutesyum-nitrojen-hidrojen bileşiği, başlangıçta “parlak mavimsi bir renkti”, diyor gazete. Bileşik daha sonra bir elmas örs hücrede sıkıştırıldığında, “şaşırtıcı bir görsel dönüşüm” meydana geldi: süper iletkenliğin başlangıcında maviden pembeye ve ardından süper iletken olmayan parlak kırmızı bir metalik duruma.
” çok parlak bir kırmızıydı,” diyor Dias. “Bu yoğunluktaki renkleri gördüğümde şok oldum. Spock’ın popüler 2009 Star Trek filminde yarattığı bir malzemeden sonra, bu durumdaki malzeme için mizahi bir şekilde “reddmatter” adlı bir kod adı önerdik. Kod adı takıldı.
Süper iletkenliği başlatmak için gereken 145.000 psi’lik basınç, Dias’ın laboratuvarında oluşturulan önceki düşük basınçtan neredeyse iki kat daha düşük.
Makine öğrenimi ile yeni süper iletken malzemeleri tahmin etme
Dias’ın Ulusal Bilim Vakfı CAREER ödülünden aldığı finansman desteği ve ABD Enerji Bakanlığı’nın hibesiyle, laboratuvarı artık süper iletken malzemelerin hem ortam sıcaklıklarında hem de pratik uygulamalar için yeterince düşük basınçlarda var olup olamayacağı sorusunu yanıtladı. .
“Süper iletken tüketici elektroniği, enerji aktarım hatları, ulaşım ve füzyon için manyetik sınırlamanın önemli iyileştirmelerine giden bir yol artık bir gerçek,” diyor Dias. “Artık modern süper iletkenlik çağında olduğumuza inanıyoruz.”
Örneğin, Dias nitrojen katkılı lutesyum hidritin füzyon elde etmek için tokamak makinelerini geliştirme sürecini büyük ölçüde hızlandıracağını tahmin ediyor. Tokamaklar, bir yakıt peletini patlatmak için güçlü, birleşen lazer ışınları kullanmak yerine, aşırı ısınmış plazmaları yakalamak, tutmak ve tutuşturmak için halka şeklindeki bir mahfazanın yaydığı güçlü manyetik alanlara güvenir. Dias, oda sıcaklığında “muazzam bir manyetik alan” üreten NDLH’nin, gelişmekte olan teknoloji için “ezber bozacak” olduğunu söylüyor.
Dias’a göre özellikle heyecan verici olan, makineleri eğitme olasılığı. diğer olası süper iletken malzemeleri tahmin etmek için laboratuvarındaki süper iletken deneylerinden elde edilen birikmiş verilerle öğrenme algoritmaları; aslında, nadir toprak metalleri, nitrojen, hidrojen ve karbonun binlerce olası kombinasyonundan karıştırma ve eşleştirme.
{12 }
“Günlük hayatta farklı uygulamalar için kullandığımız birçok farklı metal var, bu nedenle farklı türde süper iletken malzemelere de ihtiyacımız olacak” diyor Dias.Bunun, Rochester Üniversitesi’nde derece veren bir Süper İletken İnovasyon Merkezi (CSI) başlatmaya yönelik iddialı bir planın ilk adımı olduğunu söylüyor.
Merkez, ek fakülte ve bilim adamlarını bu işe çekmek için bir ekosistem oluşturacak. Üniversite süperiletkenlik bilimini ilerletmek için. Eğitimli öğrenciler, alandaki araştırmacı havuzunu genişletecektir.
“Umudumuz, New York’un taşrasını süperiletken teknolojisi için bir merkez haline getirmektir,” diyor Dias.
Referans: “Yakınlardaki kanıtlar Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan, Dylan Durkee, Nugzari Khalvashi-Sutter, Sasanka Munasinghe, Sachith E. Dissanayake, Keith V. Lawler, Ashkan Salamat ve Ranga P. Dias. 8 Mart 2023. Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05742-0
Finansman: Ulusal Bilim Vakfı, DOE/ABD Enerji Bakanlığı, Unearthly Materials Inc{1 }.