Znaleziono potencjalne nadprzewodniki na bazie wodoru
Jest to fascynujące zjawisko, które występują w niektórych materiałach. Po schłodzeniu poniżej określonej temperatury materiały te tracą opór elektryczny, stając się przewodnikami doskonałymi. „To czyni je idealnymi materiałami do szeregu zastosowań elektromagnetycznych” — wyjaśnia koordynator projektu SuperH Ion Errea(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z Uniwersytetu Kraju Basków(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Obejmują one na przykład silniki elektryczne, generatory mocy, urządzenia do rezonansu jądrowego i czujniki”.
Potencjał materiałów na bazie wodoru
Kluczowe wyzwanie wiąże się z faktem, że wymagana temperatura jest zazwyczaj skrajnie niska, rzędu kilku kelwinów. A to ogranicza praktyczne zastosowania nadprzewodników. Projekt SuperH, wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), miał na celu zmierzenie się z tym wyzwaniem poprzez zbadanie potencjału materiałów na bazie wodoru. Praca ta opiera się na niedawnych przewidywaniach, że materiały te może cechować nadprzewodnictwo w wyższych temperaturach. „Chcieliśmy zbadać, czy istnieją materiały z rodziny wodorowych, które rzeczywiście są nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi działającymi przy ciśnieniu otoczenia” — mówi Errea.
Nowatorskie obliczenia ab initio
Aby zrozumieć, czy nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe jest możliwe w nadprzewodnikach na bazie wodoru przy niskim ciśnieniu, a nawet ciśnieniu otoczenia, zespół najpierw postanowił lepiej zrozumieć, kiedy i dlaczego materiały te osiągają wysokie temperatury krytyczne. Następnie zespół chciał opracować nowe narzędzia teoretyczne do identyfikacji odpowiednich związków i dokładnego obliczenia ich temperatur krytycznych. „Wykorzystaliśmy obliczenia teoretyczne ab initio, aby zarówno zrozumieć i scharakteryzować materiały na bazie wodoru, jak i przewidzieć nowe nadprzewodniki” — dodaje Errea. Obliczenia ab initio obejmują rozbijanie złożonych problemów na podstawowe założenia, a następnie rozumowanie na podstawie tych podstawowych zasad. „Jednak na materiały zawierające duże ilości wodoru oddziałują fluktuacje kwantowe. Teoretyczne metody ab initio na początku projektu nie były gotowe do uwzględnienia tych kwantowych efektów, przewidywania stabilności termodynamicznej ani obliczania nadprzewodzących temperatur krytycznych”. Dlatego też Errea i jego zespół opracowali nowe metody ab initio, aby sprostać temu wyzwaniu. Zostały one następnie wykorzystane do scharakteryzowania związków i przewidywania nowych nadprzewodników na bazie wodoru.
Nowe możliwości badawcze dotyczące nadprzewodnictwa
Prace w ramach projektu zaowocowały wieloma przełomowymi odkryciami. Na przykład Errea i jego zespół byli w stanie wywnioskować, że nadprzewodniki na bazie wodoru uzyskują wysoką temperaturę krytyczną, gdy tworzą sieci wiązań ze zlokalizowanymi elektronami. „Pomogło nam to w poszukiwaniu nowych materiałów” — mówi. „Udało nam się również zrozumieć, że fluktuacje kwantowe wodoru pozytywnie wpływają na nadprzewodnictwo w tych związkach, ponieważ pomagają stabilizować termodynamicznie i dynamicznie związki o wysokiej temperaturze krytycznej przy znacznie niższych ciśnieniach niż oczekiwano”. Dzięki tej wiedzy i opracowanym nowym metodom zespół projekt SuperH był w stanie przewidzieć szereg nowych materiałów, na przykład RbPH3. „Zgodnie z naszymi obliczeniami, związek ten może być syntetyzowany pod ciśnieniem 30 GPa (bardzo wysokie ciśnienie) i pozostaje stabilny aż do ciśnienia otoczenia przy temperaturze krytycznej około 100 kelwinów”. Pokazuje to, że nadprzewodniki wodorowe o wysokiej temperaturze krytycznej mogą istnieć przy ciśnieniu otoczenia. Otwiera to nowe możliwości w szerokiej dziedzinie nadprzewodnictwa i nowe nadzieje na odkrycie interesujących nowych nadprzewodników, które będą stanowiły lepszą wersję istniejących. „Wyzwaniem jest teraz współpraca z badaczami eksperymentalnymi, aby pomóc im w syntezie naszych nowo przewidzianych związków, na przykład RbPH3” — zauważa Errea. „W międzyczasie będziemy kontynuować dalsze przewidywania dotyczące podobnych materiałów”.
