Raumtemperatur-Supraleiter - Room-temperature superconductor

Ein Raumtemperatur-Supraleiter ist ein Material, das bei Betriebstemperaturen über 0 °C (273 K; 32 °F) Supraleitung aufweisen kann, d. h. Temperaturen, die in einer alltäglichen Umgebung erreicht und leicht gehalten werden können. Ab 2020 ist das Material mit der höchsten akzeptierten Supraleitungstemperatur ein extrem unter Druck stehendes kohlenstoffhaltiges Schwefelhydrid mit einer kritischen Übergangstemperatur von +15°C bei 267 GPa.

Bei Atmosphärendruck wird der Temperaturrekord immer noch von Kupraten gehalten , die bei Temperaturen von bis zu 138 K (−135 °C) Supraleitung gezeigt haben.

Obwohl Forscher einst bezweifelten, dass Supraleitung bei Raumtemperatur tatsächlich erreichbar ist, wurde Supraleitung immer wieder bei Temperaturen entdeckt, die zuvor unerwartet oder für unmöglich gehalten wurden.

Behauptungen über vorübergehende Effekte "nahe der Raumtemperatur" stammen aus den frühen 1950er Jahren. Die Suche nach einem Supraleiter bei Raumtemperatur "wäre eine enorme technologische Bedeutung und würde beispielsweise dazu beitragen, die Energieprobleme der Welt zu lösen, schnellere Computer zu ermöglichen, neuartige Speichergeräte zu ermöglichen und unter anderem hochempfindliche Sensoren zu ermöglichen".

Ungelöstes Problem in der Physik :

Ist es möglich, ein Material herzustellen, das bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ein Supraleiter ist?

Berichte

Seit der Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern wurde berichtet, dass mehrere Materialien Raumtemperatur- Supraleiter sind , obwohl die meisten dieser Berichte nicht bestätigt wurden.

Im Jahr 2000 behauptete Johan Prins , beim Extrahieren von Elektronen aus Diamant während der Ionenimplantation ein Phänomen beobachtet zu haben, das er als Raumtemperatur-Supraleitung innerhalb einer Phase erklärte, die sich auf der Oberfläche von sauerstoffdotierten Diamanten vom Typ IIa in einem Vakuum von 10 −6  mbar bildete .

Im Jahr 2003 veröffentlichte eine Gruppe von Forschern Ergebnisse zur Hochtemperatur-Supraleitung in Palladiumhydrid (PdH x : x>1) und eine Erklärung im Jahr 2004. 2007 veröffentlichte dieselbe Gruppe Ergebnisse, die eine Supraleitungs-Übergangstemperatur von 260 K nahelegen Die Temperatur steigt mit zunehmender Wasserstoffdichte im Palladiumgitter. Diese Arbeit wurde nicht von anderen Gruppen bestätigt.

Im Jahr 2012 behauptete ein Artikel von Advanced Materials das supraleitende Verhalten von Graphitpulver nach der Behandlung mit reinem Wasser bei Temperaturen von 300 K und darüber. Das Auftreten einer deutlichen Meissner-Phase und das Verschwinden der Materialresistenz konnten die Autoren bisher nicht nachweisen.

Im Jahr 2014 schlug ein in Nature veröffentlichter Artikel vor, dass einige Materialien, insbesondere YBCO ( Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid ), mit Infrarot- Laserpulsen bei Raumtemperatur supraleitend gemacht werden könnten .

Im Jahr 2015 schlug ein von Forschern des Max-Planck-Instituts in Nature veröffentlichter Artikel vor, dass H 2 S unter bestimmten Bedingungen wie extremem Druck in einer Diamantambosszelle bei 150 GPa (etwa 1,5 Millionen Mal Atmosphärendruck) in eine supraleitende Form H 3 S übergeht . Die kritische Temperatur beträgt 203 K (−70 °C), was die höchste jemals gemessene T c wäre , und ihre Forschung legt nahe, dass andere Wasserstoffverbindungen bei bis zu 260 K (−13 ° C) supraleitend sein könnten, was mit der ursprünglichen Forschung übereinstimmen würde von Ashcroft.

2018 behaupteten Dev Kumar Thapa und Anshu Pandey von der Solid State and Structural Chemistry Unit des Indian Institute of Science in Bangalore die Beobachtung von Supraleitung bei Umgebungsdruck und Raumtemperatur in Filmen und Pellets eines nanostrukturierten Materials, das aus Silberpartikeln besteht eingebettet in eine Goldmatrix. Aufgrund ähnlicher Rauschmuster vermeintlich unabhängiger Plots und der fehlenden Peer-Review der Publikation wurden die Ergebnisse in Frage gestellt. Obwohl die Forscher ihre Ergebnisse in einem späteren Papier im Jahr 2019 validierten, muss diese Behauptung noch überprüft und bestätigt werden.

Ebenfalls 2018 stellten die Forscher eine mögliche supraleitende Phase bei 260 K (−13 °C) in Lanthandecahydrid bei erhöhtem (200  GPa ) Druck fest.

Im Jahr 2019 war das Material mit der höchsten akzeptierten Supraleitungstemperatur unter hohem Druck stehendes Lanthandecahydrid (LaH 10 ), dessen Übergangstemperatur etwa 250 K (−23 °C) beträgt.

Im Oktober 2020 wurde in einem kohlenstoffhaltigen Schwefelhydrid bei sehr hohem Druck (267 GPa) über eine Raumtemperatur-Supraleitung bei 288 K (bei 15 °C) berichtet, die über einen grünen Laser zur Kristallisation gebracht wurde.

Im März 2021 berichtete eine Ankündigung von Supraleitfähigkeit bei Raumtemperatur in einem geschichteten Yttrium-Palladium-Hydron-Material bei 262 K und einem Druck von 187 GPa. Palladium kann im Material als Wasserstoffmigrationskatalysator wirken.

Theorien

Theoretische Arbeiten des britischen Physikers Neil Ashcroft sagten voraus, dass fester metallischer Wasserstoff bei extrem hohem Druck (~500  GPa ) aufgrund seiner extrem hohen Schallgeschwindigkeit bei etwa Raumtemperatur supraleitend werden sollte und erwartete eine starke Kopplung zwischen den Leitungselektronen und den Gitterschwingungen ( Phononen ). Diese Vorhersage muss noch experimentell bestätigt werden, da der Druck zum Erreichen von metallischem Wasserstoff nicht bekannt ist, aber in der Größenordnung von 500  GPa liegen kann .

Ein Team der Harvard University hat behauptet, metallischen Wasserstoff herzustellen und berichtet von einem Druck von 495 GPa. Obwohl die genaue kritische Temperatur noch nicht bestimmt wurde, könnten in frühen Magnetometertests an der jetzt verlorenen Originalprobe schwache Anzeichen eines möglichen Meissner-Effekts und Änderungen der magnetischen Suszeptibilität bei 250 K aufgetreten sein und werden von dem französischen Team analysiert, das mit Donut . arbeitet Formen eher als planar an den Diamantkelettenspitzen.

1964 schlug William A. Little die Möglichkeit der Hochtemperatur-Supraleitung in organischen Polymeren vor . Dieser Vorschlag basiert auf der Exzitonen- vermittelten Elektronenpaarung, im Gegensatz zur Phononen- vermittelten Paarung in der BCS-Theorie .

2004 kehrte Ashcroft zu seiner Idee zurück und schlug vor, dass wasserstoffreiche Verbindungen bei niedrigeren Drücken als Wasserstoff metallisch und supraleitend werden können. Insbesondere schlug er einen neuen Weg zur chemischen Vorverdichtung von Wasserstoff vor, indem er IVa-Hydride untersuchte.

Im Jahr 2016 schlug die Forschung einen Zusammenhang zwischen dem Palladiumhydrid, das kleine Verunreinigungen von Schwefel- Nanopartikeln enthält, als plausible Erklärung für die anomalen vorübergehenden Widerstandsabfälle vor, die bei einigen Experimenten beobachtet wurden, und die Wasserstoffabsorption durch Kuprate wurde angesichts der Ergebnisse von 2015 in H 2 S as . vorgeschlagen eine plausible Erklärung für vorübergehende Widerstandsabfälle oder "USO", die in den 1990er Jahren von Chu et al. während der Forschung nach der Entdeckung von YBCO . Es ist auch möglich, dass bei richtiger Bipolaron- Erklärung ein normalerweise halbleitendes Material unter bestimmten Bedingungen in einen Supraleiter übergehen kann, wenn ein kritisches Niveau der alternierenden Spinkopplung in einer einzelnen Ebene innerhalb des Gitters überschritten wird; dies könnte in sehr frühen Experimenten aus dem Jahr 1986 dokumentiert worden sein. Die beste Analogie wäre hier der anisotrope Magnetowiderstand , aber in diesem Fall ist das Ergebnis eher ein Abfall auf Null als ein Abfall innerhalb eines sehr engen Temperaturbereichs für die getesteten Verbindungen ähnlich wie „ re -eintretende Supraleitung ".

Im Jahr 2018 wurde eine Unterstützung für Elektronen mit anomalen 3 / 2- Spinzuständen in YPtBi gefunden. Obwohl YPtBi ein Supraleiter mit relativ niedriger Temperatur ist, deutet dies auf einen anderen Ansatz zur Herstellung von Supraleitern hin.

Es wurde auch entdeckt, dass viele Supraleiter, einschließlich der Cuprate und Eisenpniktide , zwei oder mehr konkurrierende Mechanismen haben, die um Dominanz ( Ladungsdichtewelle ) und exzitonische Zustände kämpfen , so dass, wie bei organischen Leuchtdioden und anderen Quantensystemen, der richtige Spinkatalysator hinzugefügt wird kann selbst T c erhöhen . Ein möglicher Kandidat wäre Iridium oder Gold, das in einigen der benachbarten Moleküle oder als dünne Oberflächenschicht platziert ist, damit sich der richtige Mechanismus dann ähnlich einem Phasenübergang durch das gesamte Gitter ausbreitet. Dies ist bisher spekulativ; einige Anstrengungen wurden unternommen, insbesondere die Zugabe von Blei zu BSCCO , von dem bekannt ist, dass es allein durch Chemie zur Förderung von Phasen mit hoher T c beiträgt. Allerdings könnten relativistische Effekte ähnlich denen in Blei-Säure-Batterien dafür verantwortlich sein, dass ein ähnlicher Mechanismus in Quecksilber- oder Thallium- basierten Kupraten unter Verwendung eines verwandten Metalls wie Zinn möglich sein könnte .

Jeder derartige Katalysator müsste chemisch nicht reaktiv sein, aber Eigenschaften aufweisen, die einen Mechanismus beeinflussen, aber nicht die anderen, und auch die nachfolgenden Temper- und Oxygenierungsschritte nicht stören oder die Gitterresonanzen übermäßig verändern. Eine mögliche Problemumgehung für die diskutierten Probleme wäre die Verwendung starker elektrostatischer Felder, um die Moleküle während eines der Schritte an Ort und Stelle zu halten, bis das Gitter gebildet ist.

Einige Forschungsbemühungen bewegen sich derzeit in Richtung ternärer Superhydride , wobei vorhergesagt wurde, dass Li 2 MgH 16 eine T c von 473 K (200 °C) bei 250 GPa (viel heißer als normalerweise als Raumtemperatur betrachtet) haben würde.

Siehe auch

  • Dauerstrom  – Dauerstrom, der keine externe Stromquelle benötigt

Verweise