"เราเชื่อว่านี่เป็นยุคใหม่ของความเป็นตัวนำยิ่งยวด" รัสเซลเฮมลีย์นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจากมหาวิทยาลัยจอร์จวอชิงตันในวอชิงตัน ดี.ซี. กล่าวกับนักวิจัยกลุ่มหนึ่งเมื่อวันที่ 4 มีนาคมในการประชุมเดือนมีนาคมของสมาคมกายภาพอเมริกัน
ภาพสว่างขึ้นที่หน้าจอด้านหลังเขา: แผนผังของอุปกรณ์สำหรับบดขยี้สิ่งเล็ก ๆ ระหว่างจุดแข็งของเพชรตรงข้าม, กราฟอุณหภูมิและความต้านทานไฟฟ้า, ลูกบอลเรืองแสงที่มี "X" ขรุขระสีดำพุ่งผ่านจุดศูนย์กลาง
ภาพสุดท้ายนั้นเป็นศูนย์รวมของยุคใหม่: ตัวอย่างเล็กน้อยของแลนทานัมซุปเปอร์ไฮไดรด์ (หรือ LaH10) ที่ถูกบีบให้มีแรงกดดันคล้ายกับที่พบส่วนหนึ่งผ่านแกนกลางของโลกและถูกทำให้ร้อนด้วยเลเซอร์ที่อุณหภูมิใกล้ถึงช่วงปลายฤดูหนาว . (นั่นเป็นความร้อนที่ถูกลวกโดยมาตรฐานการวิจัยความนำไฟฟ้าสูงโดยปกติแล้วจะดำเนินการในห้องปฏิบัติการที่มีอุณหภูมิสูงมาก) ภายใต้เงื่อนไขเหล่านั้น Hemley และทีมของเขาได้พบ LaH10 ดูเหมือนจะหยุดการต่อต้านการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนระหว่างอะตอม เห็นได้ชัดว่ามันกลายเป็นเมื่อ Hemley เรียกมันว่าในการพูดคุย APS ของเขาและในกระดาษที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 14 มกราคมในวารสาร Physical Review Letters ซึ่งเป็น "ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิห้อง"
วิทยาศาสตร์แช่แข็ง
ย้อนกลับไปในปี 1911 Heike Kamerlingh Onnes นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ค้นพบว่าที่อุณหภูมิต่ำมากสารบางชนิดมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ผิดปกติ
ภายใต้สถานการณ์ปกติกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวัสดุตัวนำ (เช่นลวดทองแดง) จะสูญเสียความเข้มไปพร้อมกัน แม้แต่ตัวนำไฟฟ้าที่ดีมากที่เราใช้ในโครงข่ายไฟฟ้าของเรานั้นไม่สมบูรณ์และไม่สามารถขนส่งพลังงานทั้งหมดจากสถานีพลังงานไปยังเต้าเสียบที่ผนังของคุณ อิเล็กตรอนบางตัวเพิ่งหลงทาง
แต่ตัวนำยิ่งยวดนั้นแตกต่างกัน กระแสไฟฟ้าที่นำเข้าไปในวงลวดตัวนำยิ่งยวดจะวนเป็นวงกลมตลอดไปโดยไม่มีการสูญเสียใด ๆ ตัวนำยิ่งยวดขับไล่สนามแม่เหล็กและผลักแม่เหล็กออกไปอย่างทรงพลัง พวกเขามีการใช้งานในการคำนวณความเร็วสูงและเทคโนโลยีอื่น ๆ ปัญหาก็คืออุณหภูมิที่ต่ำมากซึ่งสารตัวนำยิ่งยวดมักจะใช้งานได้ทำให้การใช้งานทั่วไปไม่สามารถทำได้
การล่าสัตว์โดยไม่มีแผนที่
เป็นเวลากว่าหนึ่งศตวรรษที่นักฟิสิกส์ได้ออกตามหาตัวนำยิ่งยวดในวัสดุที่อุ่นกว่า แต่การค้นพบตัวนำยิ่งยวดนั้นเปรียบเสมือนทองที่น่าประทับใจ: ประสบการณ์และทฤษฎีที่ผ่านมาอาจบอกคุณได้อย่างกว้าง ๆ ว่าจะมองหาที่ไหน แต่คุณจะไม่รู้ว่ามันอยู่ที่ไหนจนกระทั่งคุณทำการตรวจสอบราคาแพงและใช้เวลานาน
"คุณมีวัสดุมากมายคุณมีพื้นที่กว้างขวางในการสำรวจ" Lilia Boeri นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Sapienza แห่งกรุงโรมผู้ซึ่งนำเสนอผลงานหลังจาก Hemley สำรวจความเป็นไปได้ของตัวนำยิ่งยวดแม้จะอบอุ่นกว่า LaH10 และอธิบายว่าทำไมวัสดุเช่นนี้ superconductive ที่แรงกดดันมาก
ในปี 1986 นักวิจัยได้ค้นพบเซรามิกส์ที่มีอุณหภูมิสูงถึง 30 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์หรือลบ 406 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 243 องศาเซลเซียส) ต่อมาในปี 1990 นักวิจัยมองอย่างจริงจังเป็นครั้งแรกด้วยแรงกดดันที่สูงมาก ๆ เพื่อดูว่าพวกเขาอาจเปิดเผยตัวนำยิ่งยวดชนิดใหม่หรือไม่
แต่ ณ จุดนั้น Boeri บอกวิทยาศาสตร์ชีวภาพยังไม่มีวิธีใดที่ดีที่จะตัดสินว่าวัสดุจะกลายเป็นสิ่งเหนือธรรมชาติหรืออุณหภูมิที่มันจะทำเช่นนั้นจนกว่าจะมีการทดสอบ เป็นผลให้บันทึกอุณหภูมิที่สำคัญ - อุณหภูมิที่ความเป็นตัวนำยิ่งยวดปรากฏ - อยู่ในระดับต่ำมาก
“ กรอบทางทฤษฎีอยู่ที่นั่น แต่พวกเขาไม่มีความสามารถในการใช้งาน” Boeri กล่าว
การค้นพบครั้งใหญ่ครั้งต่อไปเกิดขึ้นในปี 2544 เมื่อนักวิจัยแสดงให้เห็นว่าแมกนีเซียมไดโบไรด์ (MgB2) นั้นยิ่งยวดที่ 39 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์หรือลบ 389 F (ลบ 234 C)
"ค่อนข้างต่ำ" เธอพูด "แต่ในเวลานั้นเป็นการค้นพบครั้งสำคัญเพราะมันแสดงให้เห็นว่าคุณสามารถมีความเป็นตัวนำยิ่งยวดพร้อมกับอุณหภูมิวิกฤตที่สูงเป็นสองเท่าของสิ่งที่เคยคิดว่าเป็นไปได้"
บดไฮโดรเจน
ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาการตามหาตัวนำยิ่งยวดที่อบอุ่นได้เปลี่ยนไปในสองวิธีหลัก: นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุตระหนักว่าองค์ประกอบที่เบากว่านั้นมีความเป็นไปได้ที่ยั่วเย้าให้นำยิ่งยวด ในขณะเดียวกันแบบจำลองคอมพิวเตอร์ก้าวล้ำไปถึงจุดที่นักทฤษฎีสามารถทำนายล่วงหน้าได้อย่างแม่นยำว่าวัสดุอาจมีพฤติกรรมอย่างไรในสถานการณ์ที่รุนแรง
นักฟิสิกส์เริ่มต้นในที่ที่เห็นได้ชัด
"ดังนั้นคุณต้องการใช้องค์ประกอบแสงและองค์ประกอบที่เบาที่สุดคือไฮโดรเจน" Boeri กล่าว “ แต่ปัญหาคือไฮโดรเจนนั่นเอง - นี่ไม่สามารถสร้างตัวนำยิ่งยวดได้เพราะมันเป็นฉนวนดังนั้นในการมีตัวนำยิ่งยวดคุณต้องทำให้มันเป็นโลหะก่อนคุณต้องทำอะไรสักอย่างและสิ่งที่ดีที่สุดที่คุณสามารถทำได้ บีบมัน "
ในทางเคมีโลหะเป็นกลุ่มของอะตอมที่ถูกผูกมัดเข้าด้วยกันเพราะพวกมันนั่งอยู่ในซุปอิเล็กตรอนอิสระ วัสดุส่วนใหญ่ที่เราเรียกว่าโลหะเช่นทองแดงหรือเหล็กเป็นโลหะที่อุณหภูมิห้องและที่ความดันบรรยากาศสบาย ๆ แต่วัสดุอื่น ๆ สามารถกลายเป็นโลหะได้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
ในทางทฤษฎีแล้วไฮโดรเจนเป็นหนึ่งในนั้น แต่มีปัญหา
“ นั่นต้องการแรงกดดันที่สูงกว่าการใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่” เฮมลีย์กล่าวในการพูดคุยของเขา
ทำให้นักวิจัยออกล่าหาวัสดุที่มีไฮโดรเจนจำนวนมากซึ่งจะก่อตัวเป็นโลหะและหวังว่าจะเป็นตัวนำยิ่งยวดในสภาวะกดดัน
ตอนนี้ Boeri กล่าวว่านักทฤษฎีที่ทำงานกับแบบจำลองคอมพิวเตอร์นำเสนอวัสดุแบบนักทดลองซึ่งอาจเป็นตัวนำยิ่งยวด และผู้ทดสอบเลือกตัวเลือกที่ดีที่สุดในการทดสอบ
มีข้อ จำกัด เกี่ยวกับมูลค่าของโมเดลเหล่านั้น แต่ Hemley กล่าว ไม่ใช่การคาดคะเนทุกอย่างที่เกิดขึ้นในห้องแล็บ
“ เราสามารถใช้การคำนวณได้อย่างมีประสิทธิภาพมากในงานนี้ แต่เราต้องทำสิ่งนั้นอย่างยิ่งและเตรียมการทดสอบในท้ายที่สุด” เขาบอกกับฝูงชนที่ชุมนุมกัน
Hemley และทีมงานของเขา "ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิห้อง" LaH10 ดูเหมือนจะเป็นผลลัพธ์ที่น่าตื่นเต้นที่สุดจากการวิจัยยุคใหม่นี้ ความกดดันของชั้นบรรยากาศของโลก (ประมาณ 200 gigapascals) ประมาณ 1 ล้านครั้งระหว่างจุดของเพชรสองเม็ดที่แยกจากกันตัวอย่างของ LaH10 จะกลายเป็น superconductive ที่อุณหภูมิ 260 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์หรือ 8 F (ลบ 13 C)
การทดลองอีกครั้งที่อธิบายไว้ในเอกสารฉบับเดียวกันดูเหมือนจะแสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ 280 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์หรือ 44 F (7 C) นั่นเป็นอุณหภูมิห้องที่หนาวเย็น แต่ไม่ยากเกินกว่าจะได้อุณหภูมิ
Hemley จบคำปราศรัยของเขาโดยบอกว่างานนี้แรงดันสูงอาจนำไปสู่วัสดุที่เป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิอบอุ่นและแรงกดดันตามปกติ บางทีวัสดุที่มีแรงดันอาจจะยังคงเป็นตัวนำยิ่งยวดหลังจากแรงดันถูกปล่อยออกมาเขากล่าว หรือบางทีบทเรียนเกี่ยวกับโครงสร้างทางเคมีที่เรียนที่อุณหภูมิสูงอาจชี้ไปที่โครงสร้างความดันต่ำยิ่งยวด
นั่นจะเป็นตัวเปลี่ยนเกม Boeri กล่าว
“ สิ่งนี้เป็นงานวิจัยขั้นพื้นฐานโดยไม่มีการใช้งาน” เธอกล่าว "แต่สมมุติว่าคุณคิดอะไรบางอย่างที่ทำงานด้วยแรงกดดันพูดน้อยกว่าตอนนี้ถึง 10 เท่านี่เป็นการเปิดประตูสู่สายตัวนำยิ่งยวดสิ่งอื่น ๆ "
ถามว่าเธอคาดหวังที่จะเห็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องในช่วงชีวิตของเธอหรือไม่เธอพยักหน้าอย่างกระตือรือร้น
"แน่นอน" เธอพูด
