АВТОР: Роб Митчам

Newswise — Новые материалы, разработанные аспирантом Университета Иллинойса в Чикаго, могут помочь ученым решить одну из самых больших задач современности: создание сверхпроводников, работающих при нормальных температурах и давлениях.

Сверхпроводники широко используются в повседневных приложениях, от аппаратов МРТ до передачи энергии. Но для работы их необходимо охладить до чрезвычайно низких температур, что ограничивает их потенциал. Ученые во всем мире ищут материалы, которые могли бы проявлять сверхпроводимость при «очень высоких» температурах — в данном контексте, близких к комнатной температуре — без необходимости переохлаждения.

В статье для журнала Proceedings of the National Academy of Sciences Адам Денчфилд и группа ученых UIC предложили три новых многообещающих проекта сверхпроводящих материалов. В ходе компьютерного моделирования конструкции демонстрируют некоторые свойства, необходимые для сверхпроводимости при очень высоких температурах.

Хёвон Пак, доцент кафедры физики, и Рассел Хемли, профессор физики и химии, написали статью в соавторстве с Денчфилдом, кандидатом наук по физике в UIC.

На протяжении десятилетий ученые искали материалы, которые могли бы сделать сверхпроводимость — передачу электричества без потерь — возможной при более высоких температурах, таких как комнатная температура. Это позволит использовать сверхпроводники для современных энергетических сетей, более эффективные электродвигатели и более совершенные поезда на магнитной подвеске.

В 2023 году группа ученых опубликовала спорную статью о сверхпроводящем материале, содержащем редкоземельный элемент лютеций, который работает при температуре и давлении, близком к температуре окружающей среды. Этот спор вдохновил Денчфилда изучить прошлую литературу о типе материала, который они описали, называемом тригидридом редкоземельных элементов.

«Я посмотрел на результаты и был настроен так же скептически, как и многие другие специалисты в этой области», — сказал Денчфилд. «Поэтому я решил изучить литературу в поисках альтернативных объяснений и нашел исследования конца 1960-х годов, посвященные тригидридам редкоземельных элементов».

Эти более старые исследования показали очень странные изменения в электропроводности материалов при охлаждении, которые до сих пор до конца не изучены. Денчфилд обнаружил, что особое расположение атомов лютеция в сочетании с водородом и азотом может привести к тому, что материал проявит интригующие свойства, включая высокотемпературную сверхпроводимость.

Его исследования в конечном итоге привели к публикации статьи о многообещающем соединении лютеций-водород-азот и экспериментальных результатах, которые согласуются со сверхпроводимостью. Работа группы Хемли была освещена в газете New York Times.

Но Денчфилд на этом не остановился. Он начал исследовать, могут ли другие комбинации и структуры гидридов редкоземельных элементов, такие как замена лютеция его кузенами из периодической таблицы иттрием и скандием, работать еще лучше. С целью максимально увеличить температуру сверхпроводимости он остановился на трех типах кубических структур, которые могли бы обеспечить желаемые свойства при моделировании.

«По сути, мы предлагаем три шаблонные структуры возрастающей сложности, которые, как мы хотим, чтобы другие люди могли использовать и использовать, подключать и использовать различные элементы», — сказал Денчфилд. «Я бы описал это как исследовательскую работу, мотивационную и вдохновляющую работу, которая должна вдохновить на поиск совершенно нового класса структур, которые могли бы быть очень высокотемпературными сверхпроводниками».

Конструкции материалов, описанные в статье, достигают критической температуры — точки, в которой проявляются сверхпроводящие свойства — выше 200 градусов Кельвина, что примерно эквивалентно -100 градусам по Фаренгейту. Денчфилд сказал, что некоторые конструкции могут достичь «Святого Грааля» сверхпроводимости при окружающем давлении и комнатной температуре. Чтобы проверить предсказания, материалы новой конструкции придется синтезировать в лаборатории и протестировать.

«Новое исследование, проведенное Адамом, основано на предыдущих достижениях нашей группы: открытии первого сверхпроводника с температурой, близкой к комнатной, в другом редкоземельном гидриде под давлением, а затем на дразнящих доказательствах аналогичной высокотемпературной сверхпроводимости в гидриде на основе лютеция. материал», — сказал Хемли. «Перспективы новых классов родственных материалов с различным составом — это последняя глава в наших захватывающих усилиях по открытию и созданию новых материалов, которые однажды могут произвести революцию в энергетических технологиях».