Prinsip fisik dan kemungkinan penggunaan superkonduktivitas (termasuk yang sudah diterapkan) dijelaskan secara melimpah dalam literatur dan di Internet, jadi di sini kita akan membatasi diri hanya pada perjalanan singkat ke dalam esensi fenomena ini dan kemungkinan penerapannya, dan kemudian beralih ke yang paling menarik: penemuan (terobosan) di daerah superkonduktivitas diselesaikan secara harfiah pada tahun lalu.
Detail dan populer tentang superkonduktivitas dijelaskan dalam buku oleh Vitaly Ginzburg dan Evgeny Andryushin, yang diposting di situs "Elements". Presentasi yang lebih populer dari aspek historis dan praktis superkonduktivitas ada dalam materi yang sangat menarik di Habré di blog Toshiba. Artikel tertanggal 29 Juli 2019, indikatornya:
Jadi, sebagian besar zat dapat dikaitkan dengan konduktor atau dielektrik. Arus listrik adalah urutan elektron yang menembus dengan kecepatan tinggi melalui suatu bahan (terutama, menghantarkan padatan atau cairan) dari sumber ke penerima. Zat apa pun memiliki indeks resistensi. Resistensi disebabkan oleh pergerakan atom dalam suatu zat, dan atom-atom ini menangkap beberapa elektron dari aliran, saat mereka bergetar sepanjang waktu, menyimpang dari posisi dasarnya. Semakin tinggi suhunya, fenomena ini semakin terasa. Tetapi ketika keadaan superkonduktor tercapai, setiap pergerakan atom dalam suatu zat berhenti, dan elektron menembusnya tanpa hambatan. Jelas, keadaan ini harus terjadi pada suhu yang sangat rendah, dan itulah sebabnya Kamerling-Oness menemukannya untuk merkuri, timbal dan timah pada suhu.mendekati nol mutlak, yaitu 0 K atau -273,16 ° C. Arus listrik lemah yang sewenang-wenang dapat bertahan dalam zat superkonduktor tanpa batas waktu. Sudah pada tahun 1933 (Kamerling-Oness meninggal pada tahun 1926) Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan sifat yang sama mencoloknya dengan superkonduktivitas: ternyata zat superkonduktor benar-benar mendorong keluar medan magnetnya sendiri. Dan ini membuka jalan untuk hal-hal futuristik (kemudian) seperti pencitraan resonansi magnetik danbahwa zat superkonduktor sepenuhnya mendorong medan magnetnya sendiri. Dan ini membuka jalan untuk hal-hal futuristik (kemudian) seperti pencitraan resonansi magnetik danbahwa zat superkonduktor sepenuhnya mendorong medan magnetnya sendiri. Dan ini membuka jalan untuk hal-hal futuristik (kemudian) seperti pencitraan resonansi magnetik dan levitasi magnetik , serta pembuatan reaktor termonuklir .
Di sini kami mencatat bahwa Kamerling-Oness bereksperimen dengan logam berat, dan juga menemukan paduan pertama yang memasuki keadaan superkonduktivitas dan terdiri dari merkuri, emas, dan timbal. Karenanya, pencarian zat yang memperoleh sifat superkonduktor pada suhu setinggi mungkin telah menjadi tugas utama dalam penerapan praktis superkonduktivitas.
Logam, suhu transisi superkonduktor dan tahun penemuan. Sumber ilustrasi
Jadi, pencarian ilmiah di bidang superkonduktor suhu tinggi secara bertahap beralih dari logam berat ke logam transisi, paduan, senyawa intermetalik, dan non-logam. Senyawa tembaga (cuprates) dan senyawa dengan partisipasi logam langka dan tanah jarang (samarium, yttrium) ternyata sangat menjanjikan.
Sumber (Oktober 2019)
Seperti yang jelas dari grafik ini, secara horizontal adalah tahun penemuan sifat superkonduktor dalam suatu zat, dan secara vertikal - suhu transisi ke keadaan superkonduktor. Logam, senyawa logam dengan semi logam dan non logam ditunjukkan dengan warna biru. Dalam kategori ini, perhatian harus diberikan pada niobium (Nb), yang senyawanya memungkinkan untuk pertama kalinya menaikkan ambang superkonduktivitas ke wilayah 20 K. Cuprates ditunjukkan dengan warna merah, yang paling terkenal adalah, mungkin, YBaCuO (yttrium, barium, tembaga, oksigen) - senyawa pertama , memperoleh sifat superkonduktor di atas titik didih nitrogen cair.
Senyawa lantanida (lantanum La dan samarium Sm) dengan besi (Fe) dan unsur-unsur dari kelompok nitrogen (P, As) ditunjukkan dengan warna hijau - yang juga logis, mengingat superkonduktivitas niobium nitrida telah diselidiki pada tahun 1940.
YBaCuO sangat penting dalam konteks artikel ini sehingga gambar struktur kristalnya, ditambah penjelasan rinci tentang struktur ini, sekarang akan diberikan.
Struktur kristal YBa 2 Cu 3 O 7 −δ untuk (A) δ = 0 (YBa 2 Cu 3 O 7 ), di mana semua posisi oksigen di bidang dasar sepanjang sumbu b ditempati, dan untuk (B) δ = 1 (YBa 2 Cu 3 O 6) saat semua posisi ini tidak ditempati. Pengisian oksigen tingkat menengah dicapai jika sampel seperti itu dipadamkan dalam atmosfer oksigen. Struktur kristal berbentuk segi empat untuk δ ≥ 0,6 dan ortorombik untuk δ <0,6.
Struktur kristal struktur YBCO adalah variasi rumit perovskit yang ditunjukkan pada Gambar 4. Seperti jelas dari gambar, sel satuan terdiri dari kubus YBCO YCuO 3 ke kubus atas dan bawah yang berdekatan BaCuO 3, tetapi beberapa posisi oksigen tetap kosong. Posisi oksigen yang terletak pada bidang horizontal yang sama dengan atom yttrium tidak pernah terisi, akibatnya atom oksigen yang ada sedikit bergeser ke arah atom yttrium. Fase ortorombik YBa 2 Cu 3 O 7-δ memiliki parameter kisi sebagai berikut: a = 0,382 nm, b = 0,388 nm dan c = 1,168 nm, bila nilai δ sangat kecil. Kandungan oksigen dalam YBCO menentukan struktur kristal dan frekuensi lubang pada bidang CuO2. Pada δ = 1, senyawa (YBa 2 Cu 3 O 6) . δ = 0,4 , Y-Ba-Cu-O . Tc 92 K δ ≈ 0,06, , , . , δ < 0,06 Tc , , CuO2 .Pembentukan fase segi empat diamati pada temperatur dalam kisaran 700-900 ° C, dan fase ortorombik terbentuk ketika fase segi empat secara perlahan didinginkan dalam atmosfir oksigen hingga temperatur sekitar 550 ° C. Selama transisi dari fase segi empat ke fase ortorombik, banyak domain kembar yang berbeda terbentuk, karena tekanan dihilangkan dari substansi. Dalam fase segi empat, atom oksigen secara acak menempati sekitar setengah dari tempat yang dialokasikan kepadanya di bidang basal, di mana mereka berbaris dalam arah-b menjadi rantai Cu-O yang muncul dalam fase ortorombik. Oleh karena itu, dalam fase ortorombik, posisi atom oksigen dikosongkan ke satu arah, yang selanjutnya mengarah pada kompresi ringan sel satuan sedemikian rupa sehingga a <b. Kontribusi untuk superkonduktivitas dibuat sebagai pesawat CuO 2 dan rantai CuO hadir dalam fase ortorombik.
Bagian terpenting dari bacaan sebelumnya dicetak tebal. Memang, superkonduktivitas dan tolakan medan magnet tidak hanya terkait dan tidak begitu banyak dengan suhu material tetapi juga dengan struktur atom kisi-kisi tersebut. YBCO dapat menjadi superkonduktor sekaligus sebagai isolator; sifat-sifatnya bergantung pada posisi atom oksigen dalam kisi kristal.
Fenomena serupa memungkinkan tercapainya superkonduktivitas dalam lapisan graphene datar yang terletak sedekat mungkin satu sama lain. Ketika Anda memutar satu lapisan graphene relatif terhadap yang lain dengan apa yang disebut " sudut ajaib"(Sekitar 1,1 derajat) superkonduktivitas muncul; namun, pada suhu yang sangat rendah, sekitar –269 ° C. Rincian lebih lanjut tentang sifat superkonduktor graphene dijelaskan dalam materi " Superkonduktor dari graphene datar. Studi tentang zona datar "di Habré.
Dengan demikian, cara yang menjanjikan untuk mencari zat superkonduktor mengarah ke studi senyawa eksotis logam dengan non-logam. Segera menjadi yakin, logam hidrida masuk ke keadaan superkonduktor pada suhu yang lebih tinggi daripada nitrida. Pada saat yang sama, kami mencatat bahwa dimungkinkan untuk menaikkan suhu transisi seperti itu tidak hanya dengan pemilihan sambungan yang cerdik, tetapi juga dengan meningkatkan tekanan.
Hingga sekitar 2015, cuprates tidak diragukan lagi mendominasi kepemimpinan superkonduktor suhu tinggi, dan HgBa 2 CuO 4 + δ , (merkuri-barium-tembaga-oksigen) yang disintesis pada tahun 1993, adalah pemegang rekor absolut, melewati keadaan superkonduktor pada suhu 164 K atau - 109 ° C. Tetapi pada tahun 2015 ditemukan bahwa pada suhu 203 K (hanya -70 ° C), hidrogen sulfida H 2 S masuk ke keadaan superkonduktor ; Namun, transisi seperti itu membutuhkan tekanan 1,5 juta atmosfer, yang secara praktis tidak termasuk kemungkinan menggunakan hidrogen sulfida sebagai superkonduktor. Namun demikian, penemuan ini memunculkan pencarian superkonduktivitas dalam hidrida.
Pada Mei 2019, superkonduktivitas lantanum hidrida (LaH 10 ) pada suhu -23 ° C dipastikan - pada suhu dan tekanan sekitar 2 juta atmosfer ini, lantanum hidrida menghilangkan medan magnetnya. Pada November 2019 diperoleh thorium hydride ThH 10 , dimana superkonduktivitas terjadi pada suhu -112 ° C dan 1,7 juta atmosfer. Spesialis Skoltech Artem Oganov dan Ivan Troyan memainkan peran kunci dalam pencapaian ini.
Akhirnya, pada Oktober 2020, Universitas Rochester berhasil mencapai superkonduktivitas dalam hidrida sulfur berkarbon pada tekanan sekitar 2,6 juta atmosfer dan pada suhu yang mendekati suhu kamar: 15 derajat Celcius.
Jadi, ada dua cara di mana sains mendekati superkonduktivitas suhu tinggi yang relatif murah dan layak: Kami
bereksperimen dengan cuprates pada tekanan atmosfer, secara bertahap mencapai peningkatan Tc hingga pembekuan sedang, hingga sekitar 200 K (-73 ° C).
Kami sedang bereksperimen dengan hidrida, yang telah memungkinkan untuk memperoleh superkonduktivitas pada suhu kamar dan mencoba mengurangi tekanan dari jutaan atmosfer menjadi tekanan yang dapat diterima.
Tentunya perlu disebutkan cara ketiga yaitu penggunaan senyawa boron. Di pojok kanan tabel kronologis di atas adalah magnesium diboride MgB 2 .
Itu diperoleh dengan sintering zat sederhana (boron dan magnesium) dan sudah digunakan dalam konstruksi tomograf sebagai pengganti paduan niobium-titanium. Suhu kritis zat ini adalah -39 K, artinya, secara signifikan lebih tinggi daripada suhu senyawa niobium superkonduktor. Eksperimen dengan superkonduktor berbasis boron berlanjut (mari kita tegaskan kembali bahwa kelas zat ini mencapai superkonduktivitas pada tekanan atmosfer normal), dan salah satu bahan yang mengandung boron paling menjanjikan adalah BSiC 2 , sebuah artikel tentang yang telah diterbitkanpada Maret 2020. Menurut perhitungan teoritis, itu harus mencapai T c pada suhu sekitar 73,6 K, dan yang terkait, senyawa BC 3 yang lebih stabil , pada suhu orde 40 K.
Ada asumsi yang hati - hati, yang dengannya hidrogen metalik murni dapat menjadi superkonduktor ideal yang beroperasi pada suhu kamar. Selain itu, menurut skema yang diberikan dalam artikel "Hidrida superkonduktor di bawah tekanan" yang diterbitkan pada tanggal 26 September 2019, hidrogen metalik padat dapat mempertahankan sifat superkonduktor hingga suhu di atas 750 K, yaitu hingga hampir 500 derajat Celcius. Di sisi lain, ini akan membutuhkan tekanan yang sangat besar - lebih dari 400 GPa.
Satu pendekatan, mungkin memungkinkan untuk mengurangi tekanan untuk mendapatkan superkonduktivitas dengan partisipasi hidrogen - untuk bereksperimen dengan senyawa hidrokarbon yang akan dijenuhkan secara maksimal dengan atom hidrogen, dan karbon akan memberikan ikatan elektronik yang kuat, berpotensi memungkinkan material tetap utuh bahkan ketika tekanan dilepaskan. Namun demikian, percobaan dengan senyawa termasuk karbon, hidrogen, dan belerang belum memberikan hasil yang diinginkan, mungkin karena efek mekanis kuantum antar atom, yang belum diperhitungkan, ikut bermain.
Pada titik ini, tinjauan bisa saja berakhir dengan "baik, ayo kita dapatkan logam hidrogen - lalu kita akan bicara", tapi kita akan mengakhirinya secara berbeda.
Artem Oganov dan Ivan Troyan, yang disebutkan di atas sehubungan dengan penemuan superkonduktivitas thorium hidrida, serta mahasiswa pascasarjana Dmitry Semenok dari Skoltech dan Alexander Kvashnin dari MIPT mengembangkan algoritme evolusi USPEX. Algoritma ini memungkinkan untuk memprediksi pencapaian suhu T c dalam struktur kristal tertentu, bergantung pada posisi elemen penyusunnya dalam tabel periodik. Gambaran rinci tentang algoritme USPEX disediakan di sini . Saat ini, direncanakan untuk melatih jaringan saraf untuk mengenali ketergantungan ini dan mencari koneksi yang memungkinkan untuk membawa tekanan yang memberikan superkonduktivitas suhu tinggi ke nilai yang dapat diterima.
Harapannya kesuksesan tim ini sangat dekat.