Supraconductibilitatea la temperatura camerei a fost obţinută experimental
Oamenii de știință au depăşit o nouă piatră de hotar în supraconductibilitate. Pentru prima dată, fizicienii au obținut un curent electric, fără rezistență electrică, la temperatura camerei de +15 grade Celsius.
Recordul anterior a fost de -23 grade Celsius și a fost stabilit de oamenii de știință din cadrul Max Planck Institute for Chemistry, Germania.
„Ca urmare a temperaturilor scăzute, materialele cu proprietăți atât de extraordinare nu au transformat lumea în care trăim atât de mult precum şi-ar fi putut imagina mulți dintre noi.
Cu toate acestea, descoperirea noastră va permite depăşirea acestor bariere şi realizarea unor multiple aplicații potențiale”, a declarat fizicianul Ranga Dias de la Universitatea din Rochester, SUA, într-o declarație de presă.
Supraconductibilitatea a fost descoperită în anul 1911 și de atunci a devenit un obiectiv urmărit cu ardoare în fizica materiei condensate.
Supraconductibilitatea constă din două proprietăți cheie.
Prima proprietate este rezistența electrică zero. De obicei, curentul electric întâmpină o anumită rezistență electrică, la fel cum un obiect aflat în mișcare întâmpină o rezistență la înaintare din partea aerului.
Cu cât conductibilitatea unui material este mai mare, cu atât rezistența sa electrică este mai mică, iar curentul electric poate trece mai ușor.
A doua proprietate este aşa-numitul efect Meissner, în care câmpurile magnetice ale materialului supraconductor sunt expulzate atunci când temperatura acestuia scade sub o valoare critică.
Acest lucru forțează liniile câmpului magnetic să se redirecționeze în jurul materialului. Dacă un mic magnet permanent este plasat deasupra unui material supraconductor, atunci forța de respingere a acestor linii de câmp magnetic îl va face să leviteze.
Levitația magnetică în supraconductibilitate. Credit: US Dept. of Energy/Flickr
Aplicațiile potențiale ale supraconductibilităţii ar putea revoluționa lumea în care trăim, de la trenurile cu levitație magnetică (Maglev) până la rețelele electrice fără pierderi. Dar există o mare problemă.
Materialele supraconductoare sunt, de obicei, create și menţinute doar la temperaturi extrem de scăzute, mult mai mici decât cele din natură.
Păstrarea acestor materiale la aceste temperaturi este dificilă și costisitoare, ceea ce s-a dovedit o barieră în calea realizării unor aplicaţii practice ale supraconductibilităţii.
Recent, fizicienii au descoperit o metodă prin care temperatura necesară supraconductibilităţii unor compuşi, precum ar fi sulfură de hidrogen și hidrura de lantan, poate fi mărită. Elementul comun în acest caz este hidrogenul, cel mai ușor element din natură.
Hidrogenul ca gaz este un izolator, ceea ce înseamnă că pentru a-l face supraconductor trebuie metalizat sub o presiune uriaşă.
„Pentru a avea un supraconductor la o temperatură ridicată avem nevoie de legături chimice mai puternice și elemente ușoare. Acestea sunt cele două criterii de bază.
Hidrogenul este cel mai ușor element chimic, iar legătura de hidrogen este una dintre cele mai puternice.
Conform teoriei, hidrogenul metalic solid are o temperatură Debye ridicată și o legătură puternică electron-fonon, care este necesară pentru supraconductibilitatea la temperatura camerei”, a declarat Dias.
Laborator supraconductibilitate. Credit: Adam Fenster
Deoarece hidrogenul metalic pur poate fi creat doar sub o presiune extremă, condițiile potrivite sunt extrem de dificil de realizat. Cu toate acestea, două echipe de cercetători au înregistrat succes în crearea acestuia în ultimii ani.
În anul 2017, fizicienii au obţinut hidrogen metalic la o presiune cuprinsă între 465 și 495 gigapascali și o temperatură de 5,5 Kelvin (-267,65 °C).
În anul 2019, fizicienii au obţinut hidrogen metalic la o presiune de 425 gigapascali și o temperatură de 80 Kelvin (-193 °C).
În niciunul din aceste experimente fizicienii nu s-au apropiat de temperatura camerei. Ca referință, trebuie menționat că presiunea din centrul Pământului este cuprinsă între 330 și 360 gigapascali.
Soluţia propusă a fost utilizarea unor compuşi bogaţi în hidrogen, cum ar fi sulfură de hidrogen și hidrura de lantan folosite în experimentele anterioare. Acestea au proprietăți supraconductoare similare cu ale hidrogenului metalic pur, dar la presiuni mult mai mici.
În consecinţă, o echipă de fizicieni, condusă de Elliot Snider de la Universitatea din Rochester, a încercat să combine hidrogenul cu ytriu pentru a crea hidrura de yitriu. Pentru acest material s-a obţinut supraconductibilitatea la -11 grade Celsius şi o presiune de 180 gigapascali.
Ulterior, Snider și echipa sa au combinat carbon, sulf și hidrogen şi au creat o mică probă pe care au strivit-o într-o nicovală de diamant. În acest caz, supraconductibilitatea a fost obţinută la o presiune de 270 gigapascali și o temperatură de 15 grade Celsius.
Nicovală de diamant. Credit: Michael Osadciw
Evident, suntem încă departe de o utilizare practică a supraconductibilităţii în condiţiile vieţii cotidiene.
Mărimea eșantionului a fost microscopică, între 25 și 35 microni, iar presiunea la care a apărut supraconductibilitatea este încă destul de impracticabilă.
Următorul pas al cercetării va fi încercarea de reducere a presiunii necesară obţinerii supraconductibilităţii prin reglarea compoziției chimice a probei.
Dacă reușesc să obţină amestecul corect, atunci cercetătorii cred că un supraconductor la temperatura camerei și la presiunea ambiantă va fi, în sfârșit, la îndemâna noastră.
Cercetarea a fost publicată în Nature.
Sursă: Science Alert