O retractare a Nature de săptămâna trecută a anulat cea mai recentă afirmație privind supraconductibilitatea la temperatura camerei – în care cercetătorii au spus că au realizat un material care ar putea conduce electricitatea fără a produce căldură reziduală și fără refrigerare.
Retragerea urmează căderea unei afirmații și mai nesăbuite despre un presupus supraconductor numit LK-99, care a devenit virală pe rețelele de socializare la începutul acestui an.
În ciuda acestor eșecuri importante, cercetătorii în supraconductivitate spun că domeniul se bucură într-o oarecare măsură de o renaștere. „Nu este un domeniu pe moarte, dimpotrivă”, spune Lilia Boeri, un fizician specializat în predicții computaționale la Universitatea Sapienza din Roma. Progresul este alimentat parțial de noile capacități ale simulărilor computerizate de a prezice existența și proprietățile materialelor nedescoperite.
O mare parte din entuziasm se concentrează pe „super-hidruri” – materiale bogate în hidrogen care au demonstrat supraconductivitate la temperaturi din ce în ce mai ridicate, atâta timp cât sunt menținute la presiune ridicată. Dar munca din ultimii ani a scos la iveală mai multe familii de materiale care ar putea avea proprietăți revoluționare. „Se pare că suntem pe punctul de a găsi o mulțime de supraconductori noi”, spune Paul Canfield, fizician la Universitatea de Stat din Iowa din Ames și Laboratorul Național Ames.
Supraconductivitatea apare atunci când electronii dintr-un solid se combină pentru a forma „perechi Cooper”. Acest lucru permite multor mai mulți electroni decât de obicei să se miște sincronizat în interiorul materialului, ceea ce, la rândul său, le permite electronilor să transporte curenți fără a produce căldură reziduală.
În supraconductorii „convenționali”, electronii formează perechi Cooper atunci când sunt împinși împreună de vibrațiile din material – unde mecanice pe care perechile Cooper le călătoresc ca surferii pe un val. Până la mijlocul anilor 2000, cercetătorii credeau în general că acest mecanism va funcționa doar la temperaturi extrem de scăzute, până la aproximativ 40 kelvin. Supraconductorii formați dintr-un singur element necesită toți temperaturi mai mici de 10 kelvin pentru a prezenta această proprietate. Diborura de magneziu, un supraconductor convențional descoperit în 2013 de o echipă condusă de Jun Akimitsu de la Universitatea Okayama din Japonia, a ridicat recordul pentru cea mai ridicată temperatură la 39 kelvin.
Baza superhidrurilor a fost pusă în 2004, când regretatul fizician teoretician Neil Ashcroft a prezis că anumite elemente vor forma compuși cu hidrogen care ar putea supraconduce la temperaturi mult mai mari decât orice alt material, dacă sunt supuse suficientă presiune pentru a forța atomi hidrogenul sa fie mai apropiaţi.
Conform teoriei lui Ashcroft, apropierea atomilor de hidrogen ar crește frecvența vibrațiilor mecanice, ceea ce ar permite materialului să se încălzească în timp ce își păstrează supraconductibilitatea. Dar a existat o problema: unele dintre aceste materiale ar necesita presiuni comparabile cu cele din miezul Pământului.
Progresele în efectuarea de experimente de înaltă presiune pe mostre minuscule în interiorul unei nicovale de diamant – și măsurarea rezultatelor acestora – au condus la o descoperire în 2015, când fizicianul Mikhail Eremets de la Institutul de Chimie Max Planck din Mainz, Germania, și colaboratorii săi au demonstrat pentru prima dată supraconductivitate într-o superhidrură, hidrogen sulfurat. De atunci, oamenii de știință au prezis existența altor mai multe materiale supraconductoare din această familie – dintre care unele au fost găsite, inclusiv structuri asemănătoare cuștilor pe bază de calciu numite clatrați.
În prezent, cel mai „fierbinte” supraconductor de orice fel este considerat a fi decahidrură de lantan, un membru al clasei de superhidrură care s-a dovedit a fi un supraconductor convențional de înaltă presiune, la temperaturi de până la 250 kelvin.
Eremets și alții spun că interacțiunea dintre teorie, simulare, sinteza materialelor și experiment a fost crucială pentru progres. De la începutul anilor 2000, a devenit posibil ca simulările să prezică dacă un material cu o anumită structură cristalină și compoziție chimică ar putea fi un supraconductor și la ce temperaturi ar putea prezenta această proprietate. Dar următoarea schimbare majoră a fost introducerea algoritmilor mai târziu în acel deceniu, care ar putea prezice nu doar proprietățile unui material, ci și ce materiale se pot forma dintr-un amestec dat de elemente. „Până atunci, lipsea un element crucial: înțelegerea dacă un compus se poate forma în primul rând”, spune Boeri.
Descoperirea din 2015 că hidrogenul sulfurat este un supraconductor a fost în concordanță cu simulările computerizate efectuate cu un an înainte. Fără progrese rapide în predicția structurii, descoperirea supraconductorilor bogați în hidrogen „probabil că nu s-ar fi întâmplat pentru un alt secol”, spune Artem Oganov, om de știință în materiale la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo din Moscova, care a fost pionier în algoritmii de predicție a structurii. . Algoritmii săi „evoluționari”, în special, găsesc configurația atomilor cu cea mai scăzută energie – și, prin urmare, cele mai bune șanse de a se forma și de a rămâne stabili – la o anumită presiune.
Simulările sunt cruciale în special pentru prezicerea comportamentului materialelor la presiuni ridicate, sub care atomii sunt împinși atât de aproape unul de altul încât încep să interacționeze nu numai prin electronii lor exteriori, ci și cu cei mai interiori, aruncând din dogma manualului de chimie. fereastra. Un exemplu în acest sens este hexahidrura de litiu, care poate exista doar la presiuni ridicate. „Oricine din clasa de chimie generală ți-ar spune că ceva de genul LiH6 nu poate fi stabil”, spune Eva Zurek, chimist computațional la Universitatea din Buffalo din New York.