Der Diamantamboss. (Michael Osadciw) Anmerkung des Herausgebers (21. März 2022): Es wurden Bedenken hinsichtlich der in dieser Studie verwendeten Art und Weise der Datenverarbeitung und -interpretation geäußert. Wir raten unseren Lesern daher, den Bericht mit Vorsicht zu behandeln. Weitere Informationen finden Sie unter Natur.
Originalartikel (14. Okt. 2020): Bei der Suche nach wurde gerade ein wichtiger neuer Meilenstein erreicht Supraleitung . Zum ersten Mal gelang es Physikern, bei Raumtemperatur – geradezu milden 15 Grad Celsius (59 Grad Fahrenheit) – einen elektrischen Strom widerstandslos fließen zu lassen.
Das hat das zerschlagen bisheriger Rekord von -23 Grad Celsius (-9,4 Grad Fahrenheit) und hat die Aussicht auf funktionale Supraleitung einen großen Schritt nach vorne gebracht.
„Aufgrund der Grenzen niedriger Temperaturen haben Materialien mit solch außergewöhnlichen Eigenschaften die Welt nicht ganz so verändert, wie viele es sich vielleicht vorgestellt hätten“, sagte der Physiker Ranga Dias von der Universität Rochester in einer Pressemitteilung.
„Unsere Entdeckung wird diese Barrieren jedoch überwinden und die Tür zu vielen potenziellen Anwendungen öffnen.“
Die Supraleitung wurde erstmals 1911 entdeckt und ist seitdem zu einem leidenschaftlich verfolgten Ziel in der Physik der kondensierten Materie geworden.
Es besteht aus zwei Schlüsseleigenschaften. Der erste ist Nullwiderstand. Normalerweise stößt der Stromfluss auf einen gewissen Widerstand – ähnlich wie beispielsweise der Luftwiderstand einen sich bewegenden Gegenstand zurückdrückt. Je höher die Leitfähigkeit eines Materials, desto geringer ist der elektrische Widerstand und der Strom kann freier fließen.
Das zweite ist etwas, das „das“ genannt wird Meissner-Effekt , bei dem die Magnetfelder des supraleitenden Materials verdrängt werden. Dadurch werden die magnetischen Feldlinien gezwungen, um das Material herumzuleiten. Wenn ein kleiner Permanentmagnet über einem supraleitenden Material angebracht wird, wird er durch die abstoßende Kraft dieser magnetischen Feldlinien in die Schwebe gebracht.
Die möglichen Anwendungen der Supraleitung könnten unsere Welt revolutionieren – vom Magnetschwebebahntransport über die Datenübertragung bis hin zu verlustfreien Stromnetzen. Aber es gibt ein großes Problem.
Supraleitende Materialien werden normalerweise nur bei extrem niedrigen Temperaturen erzeugt und erhalten, die weit unter den in der Natur vorkommenden Temperaturen liegen. Materialien bei diesen Temperaturen zu halten ist schwierig und teuer, was sich als praktisches Hindernis für eine breitere Umsetzung erwiesen hat.
Kürzlich ist es Physikern gelungen, die Temperatur in leichten Elementen wie Schwefelwasserstoff und anderen zu erhöhen Lanthanhydrid . Das gemeinsame Element dort ist Wasserstoff, das leichteste Element in der Natur. Aber Wasserstoff als Gas ist ein Isolator; Um es supraleitend zu machen, muss es supraleitend sein metallisiert unter immensem Druck.
„Hohes Fieber haben.“ Supraleiter , Sie wollen stärkere Bindungen und leichte Elemente. Das sind die beiden ganz grundlegenden Kriterien. „Wasserstoff ist das leichteste Material und die Wasserstoffbindung ist eine der stärksten“, sagte Dias.
„Es wird angenommen, dass fester metallischer Wasserstoff eine hohe Debye-Temperatur und eine starke Elektron-Phonon-Kopplung aufweist, die für die Supraleitung bei Raumtemperatur notwendig ist.“
Das Supraleitungslabor. (Adam Fenster)
Da reiner metallischer Wasserstoff nur unter extremem Druck erzeugt werden kann, sind die richtigen Bedingungen äußerst schwierig zu erreichen. Zwei Teams haben in den letzten Jahren über Erfolge bei der Erstellung berichtet.
Im Jahr 2017 , berichteten Physiker über metallischen Wasserstoff bei Drücken zwischen 465 und 495 Gigapascal und Temperaturen von 5,5 Kelvin (-267,65 °C; -449,77 °F). Im Jahr 2019 , berichteten Physiker über metallischen Wasserstoff bei Drücken von 425 Gigapascal und Temperaturen von 80 Kelvin (-193 °C; -316 °F). Keines davon hat annähernd Raumtemperatur. Und als Referenz: Der Druck im Erdkern beträgt zwischen 330 und 360 Gigapascal .
Das nächstbeste ist ein wasserstoffreiches Metall, wie Schwefelwasserstoff und Lanthanhydrid, die in früheren Experimenten verwendet wurden. Diese ahmen die supraleitenden Eigenschaften von reinem metallischem Wasserstoff bei viel niedrigeren Drücken nach.
Also begann ein Team von Physikern unter der Leitung von Elliot Snider von der University of Rochester mit den Experimenten. Zunächst versuchten sie, den Wasserstoff mit Yttrium zu kombinieren, um Yttrium-Superhydrid zu erzeugen. Dieses Material zeigte Supraleitung bei -11 Grad Celsius (12 Grad Fahrenheit) und einem Druck von 180 Gigapascal.
Als nächstes versuchten Snider und sein Team, Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff zu kombinieren, um kohlenstoffhaltiges Schwefelhydrid zu erzeugen. Sie drückten eine winzige Probe in einen Diamantamboss und maßen ihre Supraleitung. Und sie fanden es bei 270 Gigapascal und 15 Grad Celsius.
Offensichtlich ist es noch weit von einer Alltagstauglichkeit entfernt. Die Probengrößen waren mikroskopisch klein und lagen zwischen 25 und 35 Mikrometer , und der Druck, bei dem die Supraleitung entstand, war immer noch ziemlich unpraktisch.
Der nächste Schritt der Forschung wird darin bestehen, den erforderlichen hohen Druck durch eine Anpassung der chemischen Zusammensetzung der Probe zu reduzieren. Wenn ihnen die richtige Mischung gelingt, glauben die Forscher, dass ein Supraleiter bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck endlich in greifbarer Nähe sein wird.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .