"Vi mener, at dette nu er en ny æra med superledelse," sagde Russell Hemley, en materialevidenskabsmand ved George Washington University i Washington, D.C., til en mængde forskere 4. marts på American Physical Society's martsmøde.
Billeder tændte skærmen bag ham: en skematisk af en enhed til at knuse små ting mellem superhårdt punkter af modsatte diamanter, grafer af temperatur og elektrisk modstand, en glødende kugle med en grov, sort "X" skåret over sit centrum.
Det sidste billede var legemliggørelsen af selve den nye æra: en lille prøve af lanthansuperhydrid (eller LaH10) presset til tryk svarende til dem, der blev fundet halvvejs gennem Jordens kerne og opvarmet med en laser til temperaturer, der nærmer sig en rask senvinterdag i New England . (Det er skoldende varme efter standarderne for superledningsforskning, som normalt udføres i ekstrem laboratoriekoldt.) Under disse forhold, Hemley og hans team havde fundet, ser det ud til at LaH10 holder op med at modstå bevægelsen af elektroner mellem dens atomer. Det bliver tilsyneladende, som Hemley kaldte det i sin APS-tale og i et papir, der blev offentliggjort 14. januar i tidsskriftet Physical Review Letters, en "stuetemperatur-superleder."
Frosset videnskab
Tilbage i 1911 opdagede den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes, at visse stoffer ved ekstremt lave temperaturer udviser usædvanlige elektriske egenskaber.
Under normale omstændigheder vil en elektrisk strøm, der passerer gennem et ledende materiale (som en kobbertråd) miste en vis intensitet undervejs. Selv de meget gode ledere, vi bruger i vores elektriske net er ufuldkomne og transporterer ikke al energien fra et kraftværk til din stikkontakt. Nogle elektroner går bare tabt undervejs.
Men superledere er forskellige. En elektrisk strøm, der indføres i en løkke af superledende ledning, fortsætter med at cirkle for evigt uden tab. Superledere udviser magnetfelter og skubber derfor kraftigt væk magneter. De har applikationer inden for computere med høj hastighed og andre teknologier. Problemet er, at de slags ekstremt lave temperaturer, hvor superledere normalt fungerer, gør dem upraktiske til almindelig brug.
Jagt uden et kort
I mere end et århundrede har fysikere jagtet på superkonduktivitet i varmere materialer. Men at finde superledelse er lidt som at slå guld: Tidligere erfaringer og teorier kan fortælle dig bredt, hvor du skal kigge efter den, men du vil faktisk ikke vide, hvor det er, før du udfører det dyre, tidskrævende arbejde med at kontrollere.
"Du har så mange materialer. Du har en enorm plads til at udforske," sagde Lilia Boeri, en fysiker ved Sapienza Universitet i Rom, der præsenterede arbejde efter Hemley, der udforskede muligheden for at superledere er endnu varmere end LaH10, og forklarede, hvorfor materialer som dette er superledende ved ekstreme tryk.
I 1986 afslørede forskere keramik, der var superledende ved temperaturer så høje som 30 grader over absolut nul eller minus 406 grader Fahrenheit (minus 243 grader Celsius). Senere, i 1990'erne, så forskerne først alvorligt på meget højt pres for at se, om de måske afslører nye slags superledere.
Men på det tidspunkt, fortalte Boeri til Live Science, var der stadig ikke nogen god måde at bestemme, om et materiale skulle vise sig at være superledende, eller ved hvilken temperatur det ville gøre det, indtil det blev testet. Som et resultat forblev kritiske temperaturregistre - temperaturerne, hvor superledningsevnen vises - meget lave.
”Den teoretiske ramme var der, men de havde ikke evnen til at bruge den,” sagde Boeri.
Det næste store gennembrud kom i 2001, da forskere viste, at magnesiumdiborid (MgB2) var superledende ved 39 grader over absolut nul, eller minus 389 F (minus 234 C).
"var temmelig lav," sagde hun, "men på det tidspunkt var et stort gennembrud, fordi det viste, at du kunne have superledningsevne med en kritisk temperatur, der var dobbelt så høj som det, der tidligere blev antaget som muligt."
Knusende brint
Siden da er jakten på varme superledere skiftet på to vigtige måder: Materialeforskere indså, at lettere elementer byder på fristende muligheder for superledelse. I mellemtiden kom computermodeller frem til det punkt, hvor teoretikere på forhånd kunne forudsige præcist, hvordan materialer kunne opføre sig under ekstreme omstændigheder.
Fysikere startede på det åbenlyse sted.
"Så du vil bruge lette elementer, og det letteste element er brint," sagde Boeri. "Men problemet er brint selv - dette kan ikke gøres superledende, fordi det er en isolator. Så for at have en superleder skal du først gøre det til et metal. Du skal gøre noget for det, og det bedste du kan gøre klemmer det. "
I kemi er et metal stort set enhver samling af atomer, der er bundet sammen, fordi de sidder i en fritflydende suppe med elektroner. De fleste materialer, som vi kalder metaller, som kobber eller jern, er metalliske ved stuetemperatur og ved komfortable atmosfæriske tryk. Men andre materialer kan blive metaller i mere ekstreme miljøer.
I teorien er brint en af dem. Men der er et problem.
"Det kræver meget højere pres, end der kan gøres ved hjælp af eksisterende teknologi," sagde Hemley i sin tale.
Det giver forskere jagt efter materialer, der indeholder masser af brint, der vil danne metaller - og forhåbentlig blive superledende ved opnåelige tryk.
Lige nu, sagde Boeri, tilbyder teoretikere, der arbejder med computermodeller, eksperimentelle materialer, der kan være superledere. Og eksperimenterne vælger de bedste muligheder for at afprøve.
Der er dog grænser for værdien af disse modeller, sagde Hemley. Ikke alle forudsigelser panderer ud i laboratoriet.
"Man kan bruge beregninger meget effektivt i dette arbejde, men det er nødvendigt at gøre det kritisk og i sidste ende give eksperimentelle prøver," fortalte han den samlede gruppe.
Hemley og hans teams "stuetemperatur-superleder", LaH10, ser ud til at være det mest spændende resultat endnu fra denne nye æra af forskning. Knust til ca. 1 million gange trykket fra Jordens atmosfære (200 gigapascals) mellem punkterne på to modsatte diamanter, ser en prøve af LaH10 ud til at blive superledende ved 260 grader over absolut nul, eller 8 F (minus 13 C).
En anden række af eksperimentet, der er beskrevet i det samme papir, syntes at vise superledningsevne ved 280 grader over absolut nul, eller 44 ° C. Det er en kølig stuetemperatur, men ikke en for vanskelig temperatur at opnå.
Hemley afsluttede sin tale med at antyde, at dette arbejde under højt tryk muligvis kan føre til materialer, der er superledere ved både varme temperaturer og normalt tryk. Måske forbliver et materiale, når det først er under tryk, forbliver en superleder efter trykket er frigivet, sagde han. Eller måske kan lektioner om kemisk struktur, der læres ved høje temperaturer, pege vejen til superledende lavtryksstrukturer.
Det ville være en spiludveksler, sagde Boeri.
"Denne ting er dybest set grundlæggende forskning. Den har ingen anvendelse," sagde hun. "Men lad os sige, at du kommer på noget, der arbejder under pres, siger, 10 gange lavere end nu. Dette åbner døren til superledende ledninger, andre ting."
På spørgsmålet om hun forventer at se en stuetemperatur, rumtryk-superleder i sin levetid, nikkede hun begejstret.
”Sikkert,” sagde hun.
