دو مطالعه‌ی مستقل به طور همزمان گزارشی از ابررسانایی دمای بالا در مواد غنی شده با هیدروژن تحت فشار بسیار زیاد را ارائه کرده‌اند.

ابررسانایی به عنوان توانایی یک ماده در رسانندگی الکتریکی بدون هیچ‌گونه مقاومتی، اولین بار در سال ۱۹۱۱ در جیوه‌ی جامد و زیر دمای بحرانیِ ۴/۲ کلوین مشاهده شده است. از آن زمان تاکنون دانشمندان بی‌شماری در جست‌وجوی ماده‌ای بوده‌اند تا این دمای بحرانی را به دمای اتاق برسانند. این تلاش بی‌وقفه برای مدت زمان زیادی غیرقابل دسترس بنظر می‌رسید؛ گزارش پیشرفت این پژوهش از سال ۱۹۱۱ تا ۱۹۷۰ پیشنهاد می‌داد که چنان دمایی حدود سال ۲۸۴۰ به دمای اتاق خواهد رسید! با کشف ابررسانایی دمای بالا در اکسیدهای مس، دمای بحرانی به بالاتر از دمای هلیوم مایع بالا برده بود. از سال ۱۹۹۴ یکی از اکسیدهای مس رکورد این دما به عنوان بالاترین دمای بحرانی حفظ کرده بود (۱۳۳ کلوین در فشار اتمسفر و ۱۶۴ کلوین برای فشار بالا). برخلاف پژوهش گسترده‌ای که در این رابطه انجام شد این رکورد برای بیست سال در صدر بود: در سال ۲۰۱۵ متراکم ساختن سولفید هیدروژن تا ۱۵۰ گیگاپاسکال یا حدود ۴۰ درصد از فشاری که در هسته‌ی زمین وجود دارد، دمای بحرانی به ۲۰۳ کلوین رسید [1]. شگفت‌انگیز آنکه دو گروه مستقل، اولی به رهبری راسل هملی (Russell Hemley) از دانشگاه جرج واشنگتن [2] و دومی به رهبری میخائیل ارمتس (Mikhail Eremets) از موسسه‌ی شیمی ماکس پلانک در آلمان [3] اکنون گزارش‌ آزمایش‌هایی را ارائه داده‌اند که نشان می‌دهد هیدروژن لانتانیوم متراکم شده تا ۱۷۰-۱۸۵ گیگاپاسکال به دمای بحرانی ۲۵۰-۲۶۰ کلوین می‌رسد [2,3]. نتایج به دست آمده برای جست‌وجوی ابررساناهای دمای اتاق، نتایج خوبی محسوب می‌شوند – در حال حاضر این مواد گزارش‌شده ممکن است بدون نیاز به خنک کننده در یک شب متوسط زمستان و در قطب شمال کار کند!

در سال ۱۹۶۸ نیل اشکرافت (Neil Ashcroft) پیش‌بینی کرد که بر اساس نظریه‌ی باردین-کوپر-شریفر (BCS) [4]، هیدروژن فلزی بایستی تمامی ویژگی‌های لازم برای یک ابررسانای دمای بالا را داشته باشد. متاسفانه فلزکردنِ هیدروژن در آزمایش‌های متراکم‌سازی استاتیک، کاری بسیار دشوار به حساب می‌آید. اشکرافت پیش‌بینی کرده بود که جامدات غنی‌شده با هیدروژنِ معینی در فشارهای پایین‌تر نسبت به هیدروژن عنصری می‌توانند فلز شوند و ویژگی‌های رسانندگی یکسانی با ابررسانایی دمای بالا [5] خواهند داشت. این فرضیه می‌تواند پژوهش در مورد ابررسانایی را در جامدات هیدرید شامل اتم‌های متصل به دیگر عناصر را سرعت بخشد.

پژوهش‌گران برای مطالعه‌ی ابررسانایی در این مواد متراکم، به انجام آزمایش‌های فشاربالای استاتیک نیاز دارند که در آن‌ها مواد در سلول‌های سندانی الماسی (diamond anvil cells) متراکم می‌شوند (شکل ۱ سمت چپ). چنان آزمایش‌هایی هزینه‌بر بوده، به لحاظ فنی چالش‌برانگیز و تفسیر آن ممکن است دشوار باشد. بعلاوه فازهای ماده‌ای که تحت فشار پایدار هستند، ممکن است متفاوت از فازهایی باشد که در شرایط جوی معمولی رخ می‌دهند. در نتیجه محاسبات بر پایه‌ی مکانیک کوانتومی در راهنمایی این آزمایش‌ها به‌ویژه با کشف ترکیبات امیدورکننده بسیار اهمیت می‌یابد [6].

شکل ۱) سمت چپ: طرحی از سلول سندانی الماسی که برای مطالعه‌ی رفتار LaH10 تححت فشار بالای استاتیکی قرار می‌گیرد، سمت راست: طرحی از ساختار بلوری قفس‌مانند LaH10 که گمان می‌رود مسئول ابرررسانایی دمای بالای مشاهده شده توسط گروه‌های هلمی [2] و ارمتس [3] باشد.

در دهه‌ی گذشته این فناوری‌های نظری و محاسباتی بر روی هیبریدهای دوتایی متمرکز شده است. محققان مقادیر بالای دمای بحرانی را برای هیبریدهای شامل فلزات آلکالین زمینی یا فلزات نادر زمینی [7] محاسبه کرده‌اند که برخی حتی از دمای اتاق هم فراتر رفته است. برای مثال در سال ۲۰۱۷ گروه‌هایی که با هملی (Hemley ) و یانمینگ یا (Yanming Ma) رهبری شده‌اند، پیش‌بینی کرده‌اند که هیبریدهای نادر زمینیِ معینی با نسبت بزرگی از هیدروژن به فلز در فشارهایی که در سلول‌های سندانی الماسی وجود دارد، پایدار خواهند بود. این موادِ غنی‌شده با هیدروژن ساختارهای بلورین دارند که یادآور ساختارهای قفس‌مانند ترکیبات شیمایی است که به کلاتریت (clathrates) موسوم است. یکی از هیدریدهای نویدبخش، هیدرید لانتانیوم (LaH₁₀) است که شامل یک شبکه‌ی هیدروژنی ساخته شده چند وجهی با سطوح مربعی یا شش‌گوش است (شکل ۱ سمت راست) با یک اتم نادر زمینی که در مرکز هر چندوجهی قرار گرفته است. پژوهش‌گران با فرض این‌که این سیستم بتواند با نظریه‌ی BCS توصیف شود، پیش‌بینی کرده‌اند که دمای بحرانی آن بین ۲۷۰ و ۲۹۰ کلوین در ۲۰۰ گیگاپاسکال قرار بگیرد.

در اوایل سال ۲۰۱۸ گروه هیملی موفق به ستنز LaH₁₀ شدند [10]. در حال حاضر، تیم هملی [2] و ارمتس [3] ردپاهای تجربی ابررسانایی در LaH₁₀ را تحت فشارهای زیاد در درون سلول‌های سندانی گزارش داده‌اند. به منظور اندازه‌گیری دقیق مقاومت الکتریکی در نمونه‌های به پهنای میکرومتر از LaH₁₀ ، هر دو گروه باید از تماس بین نمونه و الکترودها و کنترل ترکیبات و شرایط نمونه (مثلا از طریق جلوگیری از تشکیل فازهای اضافی) اطمینان حاصل کنند. گروه هیملی تکنیک سنتز جدیدی را ایجاد کرد که در آن LaH₁₀ به عنوان منبع هیدروژن و با استفاده از بورون آمونیاک (NH3BH3) تولید شد. همان‌طور که نمونه تحت فشار ۱۸۵گیگاپاسکال سرد شده است، آنها افت مقاومت قابل توجهی را مشاهده کرده‌اند که دمای بحرانی ۲۶۰ کلوین را نشان می‌دهد. مجموعه دوم آزمایش‌ها نشان داد که Tc می‌تواند به ۲۸۰ کلوین در ۲۰۰ گیگاپاسکال تبدیل ‌شود. اندازه‌گیری‌های پراش اشعه ایکس نشان می‌دهد که فاز ابررسانایی مربوط به LaH₁₀ بوده و احتمال اینکه افت مقاومت به علت گذارهای ساختاری ناشی از دما باشد را رد کردند.

تیم ارمتس این هیدرید را با واکنش مستقیم لانتانیوم عنصری یا تری‌هیدرید لانتانیوم (LaH₃) و هیدروژن سنتز کرده‌اند. آن‌ها افت‌های تیزی در مقاومت را مشاهده کرده‌اند که دمای بحرانی را به عنوان تابعی از فشار بدست می‌دهد. در مورد LaH₁₀ بالاترین مقدار دمای بحرانی حدود ۲۵۰ کلوین در فشار ۱۷۰ گیگاپاسکال است. فاز هیبریدی نامشخص دیگر که با LaH₁₀ در نمونه‌ی یکسانی همزیستی دارد، دمای بحرانی ۲۱۵ کلوین را از خود نشان داده است [11]. تیم ارمتس همچنین دو ردپای مشخص از ابررسانایی را مشاهده کرده‌اند. اولاً بکارگیری یک میدان مغناطیسی دمای بحرانی را کاهش می‌دهد همچنان که از برای ابررسانای BCS نوع دو انتظار می‌رود. ثانیاً T_c اثری موسوم به اثر ایزوتوپ را از خود نشان می‌دهد؛ وقتی هیدروژن با دوتریوم سنگین‌تر جایگزین می‌شود، دمای بحرانی کاهش پیدا می‌کند [12].

این داده‌ها قویاً ابررسانایی را پیشنهاد می‌دهند، اما برای اثبات آن به چیزی فراتر از یک شک و تردید نیاز است. به این منظور بایستی اثر مایسنر (Meissner) مشاهده شود؛ دافعه‌ از میدان مغناطیسی وقتی ماده ابررسانا می‌شود. با این وجود اندازه‌گیری این اثر چالش‌برانگیز است: در مورد رکورددار پیشینِ دمای بحرانی (هیدرید سولفور) اثر مایسنر بعد از چندین سال از گزارش اولیه‌ی ابررساناییِ آن قابل اثبات بوده است. چون نمونه‌های هیدرید لانتانیوم به شکل قابل توجهی کوچک‌تر از نمونه‌های هیبرید سولفور هستند، اثبات اثر مایسنر برای LaH₁₀ نیازمند آزمایش‌های اساسی خواهد بود.

پژوهش‌های نظری و تجربی بیشتری بایستی انجام شود تا شبکه‌های بلورین چندگانه‌ای که در این نمونه‌ها وجود دارند، مشخص شوند. داده‌های بدست آمده قویاً پیشنهاد می‌دهند که یکی از این‌ها LaH₁₀ است، اما هویت دیگرِ ساختارها نامعین باقی مانده است. این اطلاعات برای درک و فهم رابطه‌ی میان ساختار بلوری و ابررسانایی اساسی و مهم بوده و ممکن است به آشکارشدن فازهای ابررسانایی جدید منجر شود که حتی دماهای بحرانی بالاتری داشته باشند. دمای بحرانی بالای LaH₁₀ مطمئناً تجربی‌کاران را به پژوهش در مورد سیستم‌های مشابه ترغیب خواهد کرد؛ سیستم‌هایی همچون هیدرید یتریوم که برای آن‌ها دمای بحرانی بالاتر از دمای اتاق پیش‌بینی می شود [8,9].

بسیاری از پیشرفت‌هایی که در زمینه‌ی ابررسانایی انجام شده غیرقابل پیش‌بینی بوده و فراتر از زمان خود به حساب می‌آیند. مورد هیبرید دیگر موردی نیست که مدنظر باشد: محاسبات نظری می‌تواند به صورت منطقی برای طراحی مواد جدیدی بکار رود که دمای بحرانی بالا دارند؛ ابررساناهای نوع BCS. پیشرفت‌های محاسباتی امکان این را فراهم خواهد آورد تا نمونه‌های پیچیده‌ی دیگری با دقت مشخص شوند برخلاف هیبریدهای دوتایی مثل LaH₁₀ که حتی در هنگامی که حالت متراکم خارح می‌شوند نیز پایدار می‌مانند. فناوری‌های جدید برای سنتز و مشخصه‌یابی بلور، امکان آزمون‌های تجربی ایده‌های نظری را فراهم خواهد کرد. به یُمن این حلقه‌ی بازخوردی بین نظریه و آزمایش بزودی ابررسانایی خواهیم داشت که نزدیک دمای اتاق و در فشارهایی که براحتی در قطعات کوچک‌تر قابل دسترسی باشد کار کند؛ فشارهایی که بجای سلول‌های سندانی الماسی در پرس‌هایی که برای متراکم‌ساختن قرص‌های دارویی استفاده می‌شود، قابل حصول است.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لتزر منتشر شده است.

مراجع:

1. A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, and S. I. Shylin, “Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system,” Nature 525, 73 (2015).
2. M. Somayazulu, M. Ahart, A. K. Mishra, Z. M. Geballe, M. Baldini, Y. Meng, V. V. Struzhkin, and R. J. Hemley, “Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures,” Phys. Rev. Lett. 122, 027001 (2019).
3. A. P. Drozdov et al., “Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures,” arXiv:1812.01561.
4. N. W. Ashcroft, “Metallic hydrogen: A high-temperature superconductor?,” Phys. Rev. Lett. 21, 1748 (1968).
5. N. W. Ashcroft, “Hydrogen dominant metallic alloys: High temperature superconductors?,” Phys. Rev. Lett. 92, 187002 (2004).
6. E. Zurek and W. Grochala, “Predicting crystal structures and properties of matter under extreme conditions via quantum mechanics: The pressure is on,” Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 2917 (2015).
7. E. Zurek and T. Bi, “High-temperature superconductivity in alkaline and rare earth polyhydrides at high pressure: A theoretical perspective,” J. Chem. Phys. (to be published).
8. H. Liu, I. I. Naumov, R. Hoffmann, N. W. Ashcroft, and R. J. Hemley, “Potential high-T_csuperconducting lanthanum and yttrium hydrides at high pressure,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, 6990 (2017).
9. F. Peng, Y. Sun, C. J. Pickard, R. J. Needs, Q. Wu, and Y. Ma, “Hydrogen clathrate structures in rare earth hydrides at high pressures: Possible route to room-temperature superconductivity,” Phys. Rev. Lett. 119, 107001 (2017).
10. Z. M. Geballe, H. Liu, A. K. Mishra, M. Ahart, M. Somayazulu, Y. Meng, M. Baldini, and R. J. Hemley, “Synthesis and stability of lanthanum superhydrides,” Angew. Chem. Int. Ed. 57, 688 (2018).
11. A. P. Drozdov, V. S. Minkov, S. P. Besedin, P. P. Kong, M. A. Kuzovnikov, D. A. Knyazev, and M. I. Eremets, “Superconductivity at 215 K in lanthanum hydride at high pressures,” arXiv:1808.07039.
12. While this observation is in line with BCS theory, it is important to note that the T_c comparison needed to establish the isotope effect assumes that the superconducting deuteride and hydride of lanthanum have the same structure—an assumption that could not be tested in these experiments.

درباره‌ی نویسنده:

اوا زوریک (Eva Zurek) استاد دپارتمان شیمی در دانشگاه بوفالوی سانی است.

منبع:

Pushing Towards Room-Temperature Superconductivity