Рассвет новой эры в сверхпроводниковых материалах

Исследователи из Рочестерского университета создали сверхпроводящий материал при температуре и давлении, достаточно низких для практического применения. Это, безусловно, историческое достижение сверхпроводимости .

В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи описывают легированный азотом гидрид лютеция (NDLH), который проявляет сверхпроводимость при температуре 69° по Фаренгейту и давлении 10 килобар (145 000 фунтов на квадратный дюйм, или psi).
Ранга Диас, доцент кафедры машиностроения и физики, сказал: «С этим материалом наступил рассвет внешней сверхпроводимости и прикладных технологий».

Хотя давление в 145 000 фунтов на квадратный дюйм может показаться чрезвычайно высоким (атмосферное давление на уровне моря составляет около 15 фунтов на квадратный дюйм), методы инженерии деформации, обычно используемые в производстве чипов, например, включают материалы, удерживаемые вместе за счет внутреннего химического давления, которое еще выше.
Ученые добивались этого прорыва в физике конденсированного состояния более века. Сверхпроводящие материалы обладают двумя ключевыми свойствами: электрическое сопротивление исчезает, а испускаемые магнитные поля проходят вокруг сверхпроводящего материала. Такие материалы могут позволить:

· Электросети, которые передают электроэнергию без потери до 200 миллионов мегаватт-часов (МВтч) энергии, которая сейчас происходит из-за сопротивления в проводах

· Бесшумные левитирующие высокоскоростные поезда

· Более доступные методы медицинской визуализации и сканирования, такие как МРТ и магнитокардиография.

· Более быстрая и эффективная электроника для цифровой логики и технологии запоминающих устройств

· Машины токамак, которые используют магнитные поля для удержания плазмы для достижения термоядерного синтеза в качестве источника неограниченной мощности

Ранее команда Диаса сообщала о создании двух материалов — углеродистого гидрида серы и супергидрида иттрия — которые обладают сверхпроводимостью при 58° по Фаренгейту / 39 миллионов фунтов на квадратный дюйм и 12 ° по Фаренгейту / 26 миллионов фунтов на квадратный дюйм соответственно, в статьях в журналах Nature и Physical Review Letters .

Учитывая важность нового открытия, Диас и его команда пошли на необычные меры, чтобы задокументировать свое исследование и предотвратить критику, появившуюся после предыдущей статьи в Nature, которая привела к опровержению редакторами журнала. По словам Диаса, предыдущая статья была повторно отправлена ​​​​в Nature с новыми данными, подтверждающими более раннюю работу. Новые данные были собраны за пределами лаборатории, в Аргоннской и Брукхейвенской национальных лабораториях перед аудиторией ученых, которые вживую наблюдали сверхпроводящий переход. Аналогичный подход был применен к новой статье.

Пять аспирантов лаборатории Диаса — Натан Дасенброк-Гэммон, Эллиот Снайдер, Рэймонд Макбрайд, Хиранья Пасан и Дилан Дурки — указаны в качестве соавторов. «Все в группе участвовали в проведении экспериментов, — сказал Диас. «Это было действительно коллективное усилие».

«Поразительная визуальная трансформация» сверхпроводимости и выше

Гидриды, созданные путем объединения редкоземельных металлов с водородом, а затем добавлением азота или углерода, в последние годы предоставили исследователям дразнящий «рабочий рецепт» для создания сверхпроводящих материалов. С технической точки зрения, гидриды редкоземельных металлов образуют клатратоподобные каркасные структуры, где ионы редкоземельных металлов действуют как доноры-носители, обеспечивая достаточное количество электронов, которые усиливают диссоциацию молекул H2. Азот и углерод помогают стабилизировать материалы. Вывод: для возникновения сверхпроводимости требуется меньшее давление.

Помимо иттрия исследователи использовали и другие редкоземельные металлы. Однако полученные соединения становятся сверхпроводящими при температурах или давлениях, которые все еще нецелесообразны для приложений.

Итак, на этот раз Диас посмотрел в другом месте периодической таблицы.
новой технологии.

По словам Диаса, особенно захватывающей является возможность обучения алгоритмов машинного обучения на накопленных данных экспериментов со сверхпроводниками в его лаборатории для прогнозирования других возможных сверхпроводящих материалов — по сути, смешивание и сопоставление тысяч возможных комбинаций редкоземельных металлов, азота, водород и углерод.

«В повседневной жизни у нас есть много разных металлов, которые мы используем для разных целей, поэтому нам также понадобятся разные виды сверхпроводящих материалов», — сказал Диас. «Точно так же, как мы используем разные металлы для разных приложений, нам нужно больше внешних сверхпроводников для разных приложений».

Соавтор Кит Лоулор уже приступил к разработке алгоритмов и проведению расчетов с использованием суперкомпьютерных ресурсов, доступных в Центре интегрированных исследовательских вычислений Университета Рочестера.
Центр сверхпроводящих материалов в северной части штата Нью-Йорк?

Исследовательская группа Диаса недавно переехала в новую, расширенную лабораторию на третьем этаже Хоупман-холла в кампусе Ривер. По его словам, это первый шаг в амбициозном плане по запуску Центра сверхпроводящих инноваций (CSI) в Университете Рочестера.

Центр создаст экосистему для привлечения дополнительных преподавателей и ученых в университет для развития науки о сверхпроводимости. Подготовленные студенты расширили бы круг исследователей в этой области.

***

Это большое достижение. Работа вполне могла быть коммерческой даже сейчас в редкой, очень маленькой нише.

Дальше будет больше. (Первые?) Основные формулы теперь в руках. И, как уже отмечалось, прилагаются усилия, чтобы найти еще больше рецептов для расширяющегося диапазона приложений.

Но это пока не решение для вашей линии передачи высокой пропускной способности. Ошибки, параметры и условия еще предстоит обнаружить и узнать. Функционирующий лабораторный блок — это то, на что мы способны.

Это историческое событие. Поздравления предлагаются с некоторым трепетом, проникнутым уважением к творчеству, инновациям и развитию мозга, которые так далеко продвинулись в этой области. Это настоящая команда, и план создания сверхпроводящего центра сейчас выглядит очень хорошо.