En av de mest intressanta sakerna med rymdutforskning är hur många teknologier som påverkar vår förmåga att nå längre. Ny teknik som kanske inte omedelbart används i rymden kan ändå så småningom ha en djupgående långsiktig inverkan. Å andra sidan vet alla att vissa tekniker kommer att förändras omedelbart. Supraledare, eller material som inte har något elektriskt motstånd, är en av de teknologier som har potential att förändra spelet. Emellertid har hinder för deras praktiska användning begränsat deras tillämplighet till en relativt liten delmängd av applikationer , tycka om magnetisk resonanstomografi enheter och partikelacceleratorer . Men ett annat stort hinder för den breda användningen av supraledare har nu rensats – ett labb vid University of Rochester (UR) har precis utvecklat ett som fungerar i nästan rumstemperatur. Den stora varningen är att det måste vara under tryck liknande det i jordens kärna.
Supraledaren UR-labbet, som drevs av Dr Ranga Dias , utvecklad är baserad på väte. Även om det kanske inte verkar vara en intuitiv plats att söka efter ett material som inte har någon resistans, har väteföreningar länge varit på den supraledande färdplanen. Tidigare har forskare koncentrerat sig på att hitta 'hydrider', eller kombinationer av väte med ett annat material, för att hitta en blandning som kan vara supraledande vid höga temperaturer, om än med extremt höga tryck.
Video som beskriver den potentiella påverkan av supraledare i rumstemperatur och tryck.
Kredit: Isaac Arthur
Vad UR-labbet gjorde som var nytt var att lägga till ett tredje element i mixen – kol. Kol blandades med vätesulfid , som redan var väletablerad som en bra 'högtemperatur' supraledare. Som med många banbrytande vetenskapliga experiment, krävde denna blandning att de försökte små justeringar för att hitta ett system som fungerade. I det här fallet kan var och en av dessa justeringar visa sig vara ganska dyra.
Den viktigaste komponenten i materialblandningen är väte . Lägg till för lite väte och du kommer inte att få ett supraledande svar. Lägg till för mycket och materialet kommer bara att supraledning vid tryck som omöjligt kan nås i labbet. Nyckeln är att hitta en sweet spot, där materialet kommer att supraledning vid tryck som kan uppnås med ett verktyg som kallas en diamantstäd . Det städet, även om det kan skapa de högsta tryck som människan känner till, är också benägna att gå sönder om deras tryckgräns överskrids. Var och en kostar uppemot $3000, så det är troligt att doktoranderna som utförde arbetet hade många sömnlösa nätter och beräknade den bokstavliga kostnaden för sina misslyckanden.
Grafisk skildring av ett diamantstädsystem, som det som användes för att skapa den nya supraledaren.
Kredit: Wikipedia-användaren Tobias1984
Men till slut lyckades de. Materialet som de kom fram till kan supraledning vid en temperatur på 15 grader Celsius och vid 267 GPa, 75 % av de 330 GPa som finns i jordens kärna. Tack och lov bryter det trycket inte konsekvent deras diamantstäd.
Vid ett så högt tryck betyder det dock att detta specifika material är oanvändbart för några kommersiella tillämpningar. Men det finns fortfarande mycket mer att lära. En viktig egenskap hos materialet som ännu inte har upptäckts är dess kristallgitterstruktur. Gitterstruktur är en viktig komponent för att förstå hur något supraledare. Metalliskt väte är notoriskt svårt att undersöka för gitterstruktur, eftersom det är för litet för att visa sig på traditionella tekniker. Denna brist på förståelse gör det omöjligt att veta den exakta kemiska formuleringen av materialet som bildades när föreningen sattes under så högt tryck.
Mikroskopiska bilder av stadierna i skapandet av atomärt molekylärt väte: Transparent molekylärt väte (vänster) vid cirka 200 GPa, som omvandlas till svart molekylärt väte, och slutligen reflekterande atomärt metalliskt väte vid 495 GPa. Detta material är nyckeln till att förstå strukturen hos den nya supraledaren.
Kredit: Isaac Silvera
Kol kan hålla nyckeln till att eliminera behovet av det trycket. Gitterstrukturer bildade med kol är mycket stabila jämfört med de lätta bindningar som väte bildar. Om materialforskare kan utnyttja den kolstrukturen på ett sätt som gör att elektronerna kan röra sig fritt vid lägre tryck, kan det leda till en supraledare för rumstemperatur och tryck.
Under tiden kommer teoretiker och experimentalister att vara i en kapplöpning för att utveckla nya idéer och material baserat på dessa fynd. Nästan varje artikel på tidningen har entusiastiska citat från specialistforskare som inte var en del av originalverket. När forskare samlas för att berömma sina kollegors arbete är det ett gott tecken på att en riktig milstolpe har uppnåtts. Med lite mer arbete, och efter 100 år av forskning, kanske vi äntligen kan tillämpa supraledande material fullt ut i rymdutforskning och bortom det.
Läs mer:
SciShow – Den första supraledaren i rumstemperatur!
Quanta Magazine - Rumstemperatur supraledning uppnådd för första gången
Natur - Den första supraledaren i rumstemperatur retar – och förbryllar – forskare
Header Image Credit: J. Adam Fenster / University of Rochester