Natuurkundigen maken vorderingen in de supergeleidingsrace op kamertemperatuur

Nog geen twee jaar geleden was de wereld van de wetenschap geschokt door de ontdekking van een materiaal dat bij kamertemperatuur supergeleidend kan zijn. Nu heeft een team van natuurkundigen van de Universiteit van Nevada in Las Vegas (UNLV) de lat opnieuw verhoogd door deze prestatie te reproduceren bij de laagste druk ooit gemeten.

Voor alle duidelijkheid: dit betekent dat de wetenschap dichter dan ooit bij een bruikbaar, herhaalbaar materiaal staat dat ooit een revolutie teweeg kan brengen in de manier waarop energie wordt getransporteerd.

Het haalde in 2020 internationale krantenkoppen door te ontdekken Voor het eerst supergeleiding bij kamertemperatuur Geschreven door UNLV-fysicus Ashkan Salamat en collega Ranja Dias, een natuurkundige aan de Universiteit van Rochester. Om deze prestatie te bereiken, maakten de wetenschappers een chemisch mengsel van koolstof, zwavel en waterstof eerst in een metallische toestand en vervolgens in een supergeleidende toestand bij kamertemperatuur met behulp van extreem hoge druk – 267 gigapascal – omstandigheden die je alleen in de natuur vindt nabij het centrum van de aarde.

Met een snelheid van minder dan twee jaar kunnen de onderzoekers de prestatie nu voltooien met slechts 91 gigapascal – ongeveer een derde van de aanvankelijk gerapporteerde druk. De nieuwe bevindingen werden gepubliceerd als een voorschotartikel in het tijdschrift chemische communicatie Deze maand.

Super ontdekking

Door gedetailleerde afstemming van de koolstof-, zwavel- en waterstofsamenstelling die bij de oorspronkelijke doorbraak werd gebruikt, zijn de onderzoekers nu in staat om onder lage druk een materiaal te produceren dat zijn staat van supergeleiding behoudt.

“Dit zijn drukken op een niveau dat moeilijk te begrijpen en te beoordelen is buiten het laboratorium, maar onze huidige cursus laat zien dat het mogelijk is om relatief hoge hoge geleidingstemperaturen te bereiken bij constant lage drukken – en dat is ons uiteindelijke doel”, zei onderzoeksleider auteur Gregory Alexander Smith. Postdoctoraal student-onderzoeker bij UNLV Laboratorium voor extreme omstandigheden in Nevada (Nexel). “Uiteindelijk, als we apparaten nuttig willen maken voor de behoeften van de samenleving, moeten we de druk verminderen die nodig is om ze te maken.”

Hoewel de druk nog steeds erg hoog is – ongeveer duizend keer hoger dan wat je zou kunnen ervaren op de bodem van de Marianentrog in de Stille Oceaan – blijven ze racen naar een doel dat het nulpunt nadert. Het is een stomende race bij UNLV, aangezien onderzoekers een beter begrip krijgen van de chemische relatie tussen koolstof, zwavel en waterstof waaruit het materiaal bestaat.

“Onze kennis van de relatie tussen koolstof en zwavel neemt snel toe en we vinden verhoudingen die leiden tot significant andere en efficiëntere reacties dan aanvankelijk werd waargenomen”, zegt Salamat, die NEXCL leidt bij UNLV en heeft bijgedragen aan de laatste studie. “Het observeren van zulke verschillende fenomenen in een soortgelijk systeem toont alleen de rijkdom van Moeder Natuur. Er is zoveel te begrijpen, en elke nieuwe vooruitgang brengt ons dichter bij de rand van alledaagse supergeleidende apparaten.”

De heilige graal van energie-efficiëntie

Supergeleiding is een fascinerend fenomeen dat meer dan een eeuw geleden voor het eerst werd waargenomen, maar pas bij aanzienlijk lagere temperaturen is enig idee van praktische toepassing uitgesloten. Pas in de jaren zestig veronderstelden wetenschappers dat deze prestatie mogelijk zou zijn bij nog hogere temperaturen. De ontdekking in 2020 door Salamat en collega’s van een supergeleider bij kamertemperatuur heeft de wereld van de wetenschap enthousiast gemaakt, deels omdat de technologie elektrische stroom zonder weerstand ondersteunt, wat betekent dat stroom die door een elektrisch circuit gaat oneindig en zonder energieverlies kan worden geleid. Dit kan grote gevolgen hebben voor de opslag en transmissie van energie, waarbij alles wordt ondersteund, van betere batterijen voor mobiele telefoons tot een efficiënter elektriciteitsnet.

“De wereldwijde energiecrisis vertoont geen tekenen van vertraging en de kosten stijgen, deels doordat het Amerikaanse elektriciteitsnet jaarlijks bijna 30 miljard dollar verliest als gevolg van de inefficiëntie van de huidige technologie”, zei Salamat. “Voor maatschappelijke verandering moeten we voorop lopen met technologie, en het werk dat vandaag gebeurt, is, denk ik, in de voorhoede van de oplossingen van morgen.”

Volgens Salamat zouden de eigenschappen van supergeleiders een nieuwe generatie materialen kunnen ondersteunen die de energie-infrastructuur in de Verenigde Staten en daarbuiten fundamenteel zou kunnen veranderen.

“Stel je voor dat je energie in Nevada kunt gebruiken en het door het land kunt sturen zonder energieverlies”, zei hij. “Deze technologie zou dat op een dag mogelijk kunnen maken.”

Referentie: “Het koolstofgehalte verhoogt de supergeleiding bij hoge temperatuur in koolstof-zwavelhydride onder 100 GPa” door J. Alexander Smith, Innes E. Collings, Elliot Snyder, Dean Smith, Sylvain Pettigerard en Jesse S. Ellison, Keith F. Lawler, Ranja B. Dias en Ashkan Salamat, 7 juli 2022, hier beschikbaar. chemische communicatie.
DOI: 10.1039 / D2CC03170A

Smith, hoofdauteur, is een voormalig UNLV-onderzoeker in het laboratorium van Salamat en een huidige PhD-student in chemie en onderzoek bij NEXCL. Andere auteurs van de studie zijn Salamat, Dean Smith, Paul Ellison, Melanie White en Keith Lawler van UNLV; Ranga Dias, Elliot Snyder en Elise Jones van de Universiteit van Rochester; Ines E. Collings bij de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschap en -technologie, Sylvain Pettigerard bij ETH Zürich; en Jesse S. Smith van Argonne National Laboratory.