"אנו מאמינים כי זהו עידן חדש של מוליכות-על", אמר ראסל המלי, מדען חומרים מאוניברסיטת ג'ורג 'וושינגטון בוושינגטון, די.סי., לקהל חוקרים שנערך ב -4 במרץ בישיבת האגודה האמריקאית לפיזיקליות במארס.
תמונות האירו את המסך מאחוריו: סכמטי של מכשיר לריסוק דברים קטנטנים בין נקודות העל-חרביות של יהלומים מנוגדים, גרפי טמפרטורה והתנגדות חשמלית, כדור זוהר עם "X" מחוספס ושורש על מרכזו.
תמונה אחרונה זו הייתה התגלמות העידן החדש עצמו: דגימה זעירה של superhydide lanthanum (או LaH10) נדחקה ללחצים דומים לאלה שנמצאו בחלקו דרך ליבת כדור הארץ ומחוממת באמצעות לייזר לטמפרטורות המתקרבות ליום חורף מאוחר בחורף ניו אינגלנד. . (זה מדליק את החום בסטנדרטים של מחקר מוליכות על, שנערך בדרך כלל בקור מעבדה קיצוני.) בתנאים אלה, מצאו המלי וצוותו, נראה כי LaH10 מפסיק להתנגד לתנועת האלקטרונים בין האטומים שלו. ככל הנראה זה הופך, כפי שהמלי הגדיר זאת בנאום ה- APS שלו ובעיתון שפורסם ב -14 בינואר בכתב העת Physical Review Letters, "מוליך-על בטמפרטורת החדר".
מדע קפוא
עוד בשנת 1911 גילה הפיזיקאי ההולנדי הייקה קמרלינג אוננס שבטמפרטורות נמוכות במיוחד, חומרים מסוימים מראים תכונות חשמליות לא רגילות.
בנסיבות רגילות, זרם חשמלי העובר בחומר מוליך (כמו חוט נחושת) יאבד מעט אינטנסיביות לאורך הדרך. אפילו המוליכים הטובים ביותר שאנו משתמשים בהם ברשת החשמלית שלנו אינם מושלמים ואינם מצליחים להעביר את כל האנרגיה מתחנת כוח לשקע הקיר שלך. חלק מהאלקטרונים פשוט הולכים לאיבוד לאורך הדרך.
אבל מוליכי-על שונים. זרם חשמלי המוחדר לולאה של חוט מוליך-על ימשיך להסתובב לנצח, ללא אובדן. מוליכי-על מגרשים שדות מגנטיים, ולכן דוחפים את המגנטים בעוצמה. יש להם יישומים בתחום המחשוב המהיר וטכנולוגיות אחרות. הבעיה היא שסוגי הטמפרטורות הנמוכות במיוחד בהן בדרך כלל מוליכי-על פועלים הופכים אותם לבלתי-מעשיים לשימוש נפוץ.
ציד ללא מפה
במשך יותר ממאה שנים, פיזיקאים צדו מוליכות על בחומרים חמים יותר. אבל מציאת מוליכות-על זה קצת כמו להכות בזהב: ניסיון ותיאוריות העבר עשויים לומר לך באופן כללי היכן לחפש אותה, אך למעשה לא תדע היכן היא נמצאת עד שתעשה את עבודת הבדיקה היקרה והארוכה.
"יש לך כל כך הרבה חומרים. יש לך מרחב עצום לחקור", אמרה ליליה בוריי, פיזיקאית מאוניברסיטת ספינזה ברומא, שהציגה עבודה לאחר שהלי בחנה את האפשרות של מוליכי-על אפילו חמים יותר מ- LaH10, והסבירה מדוע חומרים כאלה הם מוליך-על בלחצים קיצוניים.
בשנת 1986 חשפו החוקרים קרמיקה שהייתה מוליכת-על בטמפרטורות הגבוהות מ -30 מעלות מעל אפס מוחלט, או מינוס 406 מעלות פרנהייט (מינוס 243 מעלות צלזיוס). מאוחר יותר, בשנות התשעים, החוקרים בדקו לראשונה ברצינות בלחצים גבוהים מאוד, כדי לבדוק אם הם עשויים לחשוף סוגים חדשים של מוליכי-על.
אבל בשלב זה, אמר בוורי לליבי מדע, עדיין לא הייתה דרך טובה לקבוע אם חומר יתגלה כמוליך-על, או באיזו טמפרטורה הוא יעשה זאת, עד שייבדק. כתוצאה מכך, רשומות הטמפרטורה הקריטיות - הטמפרטורות בהן מופיעה מוליכות העל - נשארו נמוכות מאוד.
"המסגרת התיאורטית הייתה שם, אבל לא הייתה להם את היכולת להשתמש בה," אמר בוורי.
הפריצה הגדולה הבאה הגיעה בשנת 2001, כאשר החוקרים הראו שמגנזיום דיבורידי (MgB2) היה מוליך-על 39 מעלות מעל האפס המוחלט, או מינוס 389 F (מינוס 234 צלזיוס).
"הייתה די נמוכה," היא אמרה, "אבל באותה תקופה הייתה פריצת דרך משמעותית, מכיוון שהיא הראתה שאפשר להיות בעל מוליכות על עם טמפרטורה קריטית שגובהה כפליים ממה שנחשב בעבר אפשרי."
ריסוק מימן
מאז, הציד אחר מוליכי-על חמים השתנה בשתי דרכים עיקריות: מדעני חומרים הבינו כי אלמנטים קלים יותר מציעים אפשרויות מרתקות להולכת-על. בינתיים, דגמי מחשבים התקדמו למצב בו תיאורטיקנים יכלו לחזות מראש כיצד חומרים עשויים להתנהג בנסיבות קיצוניות.
פיזיקאים התחילו במקום הברור.
"אז אתה רוצה להשתמש באלמנטים קלים, והיסוד הקל ביותר הוא מימן," אמר בוריי. "אבל הבעיה היא מימן עצמו - אי אפשר להפוך את זה למוליך-על, כי זה מבודד. אם כן, כדי שיהיה מוליך-על, תחילה עליך להפוך אותו למתכת. אתה צריך לעשות לזה משהו, והדבר הכי טוב שאתה יכול לעשות סוחט את זה. "
בכימיה מתכת היא כמעט כל אוסף אטומים שקושרים זה לזה מכיוון שהם יושבים במרק אלקטרונים זורם חופשי. רוב החומרים שאנו מכנים מתכות, כמו נחושת או ברזל, הם מתכתיים בטמפרטורת החדר ובלחצים אטמוספריים. אבל חומרים אחרים יכולים להפוך למתכות בסביבות קיצוניות יותר.
בתיאוריה, מימן הוא אחד מהם. אבל יש בעיה.
"זה דורש לחץ גבוה בהרבה ממה שניתן לעשות באמצעות טכנולוגיה קיימת," אמר המלי בשיחתו.
זה מותיר את החוקרים לצוד אחר חומרים המכילים הרבה מימן שיוצרים מתכות - ובתקווה יהפכו למוליכים-על, בלחצים שניתן להשיג.
כרגע, אמר בוורי, תיאורטיקנים העובדים עם דגמי מחשב מציעים לחוקרי ניסוי חומרים שעשויים להיות מוליכי-על. והניסויים בוחרים את האפשרויות הטובות ביותר לבחינה.
עם זאת, ישנם גבולות לערכם של הדגמים הללו, אמר המלי. לא כל תחזית מתבצעת במעבדה.
"אפשר להשתמש בחישובים בצורה יעילה מאוד בעבודה זו, אך צריך לעשות זאת באופן ביקורתי ולספק בסופו של דבר בדיקות ניסיוניות," אמר לקהל שהתאסף.
המולי וצוות "מוליך העל בטמפרטורת החדר", LaH10, נראה כתוצאה המרגשת ביותר מעידן המחקר החדש הזה. נמעך פי כמיליון מהלחץ של האטמוספרה של כדור הארץ (200 ג'יגה-פסים) בין נקודות של שני יהלומים שכנגד-שכנגד, נראה שמדגם של LaH10 הופך למוליך-על 260 מעלות מעל האפס המוחלט, או 8 F (מינוס 13 צלזיוס).
ריצה נוספת של הניסוי שתוארה באותו מאמר, ככל הנראה, מציגה מוליכות על 280 מעלות מעל אפס מוחלט, או 44 מעלות צלזיוס. זו טמפרטורת חדר צוננת, אך טמפרטורה לא קשה מדי להשגה.
המלי סיים את שיחתו בכך שהציע כי בהמשך הדרך העבודה הזו בלחץ גבוה עשויה להוביל לחומרים שהם מוליכי-על בטמפרטורות חמות וגם בלחצים רגילים. יתכן וחומר, לאחר שהוא ילחץ, יישאר מוליך-על לאחר שחרור הלחץ, אמר. או שאולי השיעורים על מבנה כימי שנלמד בטמפרטורות גבוהות עשויים להצביע על הדרך למבני לחץ נמוך-מוליכים.
זה יהיה מחליף משחק, אמר בוריי.
"הדבר הזה הוא בעצם מחקר בסיסי. אין לו שום יישום," אמרה. "אבל בואו נגיד שאתה מביא משהו שעובד בלחץ, נניח נמוך פי 10 מהיום. זה פותח את הדלת לחוטי מוליך-על, דברים אחרים."
כשנשאלה האם היא מצפה לראות מוליך-לחץ בטמפרטורת החדר במהלך חייה, היא הינהנה בהתלהבות.
"בוודאות," אמרה.
