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Die Quest für die am schwersten Material in der Physik

Bild: Ryan F. Mandelbaum und Elena Scotti (Gizmodo) Ryan F. MandelbaumYesterday 11:00amFiled: PhysicsFiled: Physik

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Zack Geballe Monate damit verbracht Verschrauben Paare geschliffener Diamanten an der Carnegie Institution for Science ‘ s Geophysical Laboratory. Theorie vorhergesagt, eingezwängt zwischen den Diamanten’ Tipps konnte einer der wunderbarsten Stoffe der modernen Physik—ein material, das, in der Nähe von Raumtemperatur, konnte den transport von Strom ohne die macht zu verlieren. Er musste sich nur die Beispiele zum Argonne National Lab außerhalb von Chicago zu erwärmen mit laser-Impulsen.

Wenn Argonne-beamline scientist Yue Meng wandte sich der Laser auf alle vier Diamanten geknackt in der Hälfte.

“Es war eine totale Katastrophe,” Geballe erzählte mir, während ich zu Besuch war, ihn am Geophysical Laboratory in Washington, DC, in diesem Jahr.

“Wer weiß? Vielleicht Nächstes Jahr, vielleicht nie.”

Aber die Dinge haben sich etwa im vergangenen Jahr, zwei teams von Wissenschaftler haben gemessen, dass in der Nähe-Zimmer-Supraleitung in einem material namens Lanthan-Hydrid. Ihren Erfolg erkennt die Bemühungen von mehr als einem Jahrhundert von Theorien, experimentelle Ergebnisse, Enttäuschungen und rissige Diamanten. Dennoch, Ihre Leistung ist nur einen kleinen Vorsprung von fast 110 Jahre der wissenschaftlichen Entwicklung

Supraleiter sind Materialien, kann die übertragung von elektrischer Ladung ohne Widerstand—anders als bei einem Kupfer-Draht, zum Beispiel, die erwärmt von vorbeifahrenden elektrischen Strom, die Schwächung des übertragenen Signals. Supraleiter gefunden haben, eine wichtige Verwendung der Erzeugung der intensiven Magnetfelder erforderlich, die von MRI-Maschinen und high-energy particle physics experiments, aber Sie müssen gehalten werden, bei Temperaturen weit kälter als diejenigen, die wir natürlich Erfahrung auf der Erde.

Supraleiter noch nicht gesehen, weit verbreitete kommerzielle Anwendungen aufgrund Ihrer Kosten, der Aufwand, Sie zu produzieren, und vielleicht auch Zurückhaltung von den old-school-Unternehmen zur Annahme einer solchen radikal neuen material, berichtet IEEE Spektrum. Aber ein Raumtemperatur-Supraleiter könnten drastisch senken Energie Kosten und am Ende vielleicht in neue Technologien, die die Wissenschaftler bisher noch nicht einmal geträumt noch.

Jetzt fühlt sich wie ein Wendepunkt: Lanthan-Hydrid, ist der nächste ein Raumtemperatur-Supraleiter, fühlte sich der Realität. Aber der Besuch mit Geballe am Geophysical Laboratory, war es schwer vorstellbar, dass die Splitter des Materials—kleiner als die Breite eines menschlichen Haares—fashioned in eine Leitung oder in jeder Technologie. Noch ist das der Punkt. Materialwissenschaftler arbeiten an der Grenze der Gegenwart und der Zukunft, die Durchführung anstrengende, hands-on-Forschung in der Hoffnung, Wirkstoffe zu entwickeln, könnte nicht einmal alle Anwendungen.

“Wer weiß?” Geballe mir gesagt, als ich fragte, ob wir uns jemals sehen, Hochtemperatur-Supraleiter, die vorhanden sein können, ohne gequetscht zwischen Diamanten. “Vielleicht Nächstes Jahr, vielleicht nie.”

Brech-Wasserstoff (und hofft)

Viele der tools zur Erstellung von Lanthan-Hydrid-passt in die Handfläche von Ihrer hand, und viele waren bereits auf einem Labortisch, wenn ich angekommen in einem der Backsteingebäude auf einem Hügel akzentuiert durch Blüte rosa magnolia Bäume auf Geophysikalischen Labor campus. Ein paar von ineinandergreifenden Stahl-Zylinder etwas größer als die D-cell-Batterien jeweils enthalten ist ein Diamant, zeigen Sie nach oben, an Ihren Spitzen. Die Punkte wurden Poliert in flach-Oberflächen von weniger als einem Zehntel millimeter breit.

Wenn das experiment funktioniert, wie geplant, einer der Forscher gezielt sandwiches Lanthan-Folie und Wasserstoff-gas, die zwischen den Diamanten’ flache Oberflächen. Dann, nur durch verdrehen eines Paares von Schrauben mit Schraubenschlüssel hielt in jeder hand, der Forscher erzeugt Druck von mindestens 170 GPa—Druck, ähnlich wie in dem Innern der Erde—zwischen den Diamant-Tipps. Dann bringen Sie die komprimierte Diamant-Amboss-Zellen, wie Sie auch genannt werden, Argonne National Lab in Illinois. Das ist, wo die große Wissenschaft passiert. Argonne-Wissenschaftler Yue Meng hilft das team erhitzt das material mit Laserpulsen, die Herstellung der chemischen Reaktion, die zu schaffen wäre das material. Geophysical Laboratory x-ray Wissenschaftlerin Maria Baldini, jetzt am Fermilab, dann hilft Messen das material der kristallinen Struktur mit Hilfe der x-Strahlen aus einem Rohr Abzweigung der 3,622-Fuß-Runde Advanced Photon Source-Teilchenbeschleuniger bestätigen, dass Sie würde erfolgreich synthetisiert das material.

Und das ist nur die Erstellung der material—Sie würde immer noch passen müssen elektronische Komponenten auf einer Diamant-Oberfläche, um zu Messen, ob Sie hatte einen Supraleiter. Plus, Sie müssten erhitzen Sie eine Probe, ohne zu reißen die Diamanten. Bei diesen hohen drücke, die Diamanten wirklich wollen zu knacken.

“Wir sind am point of no return”, Maddury “Zulu” Somayazulu, associate research professor, jetzt an der George Washington University, sagte Gizmodo. “Sobald Sie den Diamanten zu drücken über eine million mal [in der Erdatmosphäre auf Meereshöhe], dass Sie nicht gehen, um zu überleben. Eine Menge Zeit, was würde passieren, würden wir ein material zu synthetisieren, am Argonne lab, kommen Sie zurück zu Geophysikalischen Labor sehr zufrieden, und finden Sie heraus, dass der Diamant ist geknackt.”

“Ich konzentriere mich auf einige sehr schwieriges problem, und versuchen es zu lösen mit allen Mitteln. Ich kann nicht aufhören bis ich es zu lösen.”

Die ersten Supraleiter verdrängen penicillin, Fernsehen, oder der transistor auf dem Computer erstellt werden. Sie wurden geschaffen, ohne diamantstempelzellen, Laser oder Teilchenbeschleuniger. Der Niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes entdeckt die Supraleitung im Jahre 1911, in der das element Quecksilber gehalten -452 Grad Fahrenheit (-269 Grad Celsius), nur ein paar Grad über der Temperatur, bei der die Materie hat keine Wärme.

Theoretiker John Bardeen, Leon Cooper und John Robert Schrieffer entwickelte schließlich eine Theorie, BCS-Theorie, zu erklären dieses Verhalten im Jahre 1957, basierend auf quantenmechanischen Effekten in den Materialien ” Elektronen. Frustrierend, würde Wissenschaftler beobachten die Supraleitung verschwindet in der Gegenwart stark genug, magnetische Felder oder bei höheren Temperaturen. Separat, theoretischen Physikern Eugene Wigner und Hillard Bell Huntington die Theorie im Jahr 1935, die unter genügend hohen Druck, Wasserstoff zu einem Metall. Physiker Neil Ashcroft erkannte 1970, dass diese metallischen Wasserstoff könnte eine Hochtemperatur-Supraleiter, und später, dass die Materialien, die hauptsächlich aus Wasserstoff und einem weiteren element gemischt, genannt Hydride, vielleicht auch hoch-Temperatur-Supraleiter.

Erst nachdem all diese wissenschaftlichen Fortschritte haben die Physiker haben alle Zutaten der Heilige Gral der Materialwissenschaft.

Geballe holding part of a diamond anvil cell.

Die Auswirkungen dieser Arbeit wäre nicht vollständig materialisieren, bis die 2010er. Sowohl experimentelle Methode (wie Werkzeuge zum Zerkleinern mit Wasserstoff unter immensen Druck und elektrische Messungen des Materials) und Theorie (wie die Wasserstoff-reiche Materialien, die Physiker verfolgen sollte) würde Zeit brauchen, um aufzuholen. Für viel von den späten ’80er und ’90er Jahren, die Datensätze für höchste Temperatur-Supraleiter wurden vielmehr gehalten, indem “Sie,” Kupfer-haltige Materialien, die nicht scheinen, um die Regeln befolgen, die von der BCS-Theorie.

Aber Sie wurden spröde und Ihr Verhalten war schwer vorherzusagen, Somayazulu erklärt, und Hydride begann die Aufholjagd. Anfang der 2010er Theoretiker angeboten eine fülle von verlockenden Versprechen die Physiker Jagd in der Nähe von Raumtemperatur-Hydrid-Supraleitern. Sie sagten Voraus, dass calcium-Hydrid wäre ein Supraleiter bei Temperaturen an einem kalten Chicago Tag, wenn Forscher könnten, nur erreichen der Supraleitung in der Hydrid-Silan bei einer Temperatur nur ein bisschen wärmer als der absolute Nullpunkt in 2008.

Dann 2014, ein team, geleitet von dem Russischen Physiker Mikhail Eremets Blasen würde das Feld durch den Nachweis der Supraleitung bei Temperaturen von einigen hundert Grad über dem absoluten Nullpunkt durch die Komprimierung von Wasserstoff-Sulfid-gas. Im Jahr 2015, Sie zeigten das komprimierte gas zu einem Supraleiter bei Temperaturen, manchmal erlebt während des antarktischen Winters. Es war eine Offenbarung.

Ein Wunder in einem gas

Sobald ein Abteilungsleiter der Hochdruck-Physik-Institut der Akademie der Wissenschaften in der Sowjetunion während des späten Kalten Krieges, Eremets später reiste an Universitäten auf der ganzen Welt, die Erforschung der Hochdruck-Physik. Er ging schließlich auf die Führung seiner eigenen Gruppe am Max-Planck-Institut für Chemie in Deutschland. Er hoffte, crush Wasserstoff. “Alles war mit metallischer Wasserstoff”, sagte er Gizmodo per Telefon.

Eremets ist ein veteran atom-crusher. “Ich konzentriere mich auf einige sehr schwieriges problem, und versuchen es zu lösen mit allen Mitteln”, sagte er. “Ich kann nicht aufhören bis ich es zu lösen.”

Lanthanum foil held in a glove box full of inert gas

Die Schwefelwasserstoff-gas Eremets’ team war die Komprimierung ist nicht ein exotisches material—es ist ein faules ei riechendes gas finden sich im gesamten Sonnensystem und produziert in unserem eigenen Körper. “Es war”, erklärt Eremets. Es ist ziemlich einfach zu handhaben. Nach der Komprimierung, um Druck fast eine million mal, die Luft, die Sie atmen, und Kühlung -94 Fahrenheit (-70 ° C)—denken Sie noch einmal an kalten antarktischen winter—Anzeichen von Supraleitung entstanden. Der Widerstand sank auf null und magnetische Felder nicht bestanden hat, durch die Probe—eine entscheidende Unterschrift der Supraleitung.

Es war fast magisch. Schwefelwasserstoff wurde angeblich auf supraleitende Eigenschaften, aber nicht, bis die Temperaturen fallen deutlich niedriger als die beobachteten. Das team vermutet, dass unter hohem Druck, einige der Schwefelwasserstoff-Atome angenommen hatte extra Wasserstoff-Atome, schenkt Ihnen die höhere Glasübergangstemperatur.

Hochdruck-Hydride haben endlich begonnen, um zu zeigen, Ihre theoretisiert Versprechen als Hochtemperatur-Supraleiter. Und das Rennen war auf zu synthetisieren, deren widerstände sank bei noch höheren Temperaturen, vielleicht sogar bei Raumtemperatur.

Das Rennen beginnt

Zurück in den Vereinigten Staaten, einflussreiche Hochdruck-Wissenschaftler Russell Hemley (jetzt George Washington University) stellte ein Hydrid-Jagd-team von seiner eigenen. Dann am Geophysical Lab enthalten Somayazulu, Supraleitung Forscher Muhetaer Aihaiti, beamline-und x-ray-Wissenschaftlerin Maria Baldini, und Theoretiker Ivan Naumov und Liu Hanyu, mit Hilfe der Wissenschaftler Yue Meng am Argonne und trat später von post-Doktoranden, Forscher Ajay Mishra und Zack Geballe.

“Bis dahin hatten wir alle ziemlich erschöpft, brechen alle diese Diamanten.”

Somayazulu, wie Eremets, hatte eine lange Geschichte von versuchen, zu zerquetschen, Wasserstoff, aber nach vielen gescheiterten versuchen begonnen hatte die Erforschung Hydride, während Aihaiti hatte zuvor erforscht Supraleitung in der Sie vor der Arbeit in der Hochdruck-Physik. Geführt von Liu theoretische Vorhersagen, arbeitete das team, um zu füttern Wasserstoff in diamantstempelzellen mit Stücken von yttrium oder calcium-eingekeilt zwischen den Spitzen. Nach vielen versuchen, Mishra fehlgeschlagen zu synthetisieren, die Kristalline Strukturen, die computer-algorithmen vorhergesagt. Sie setzen Ihre Sehenswürdigkeiten auf Lanthan-Hydrid, und die Aufgabe der Herstellung, das material fallen würden, meist zu Geballe.

“Bis dahin hatten wir alle ziemlich erschöpft, brechen alle diese Diamanten. Diese waren sehr schwierige Lasten zu tun,” Somayazulu erklärt. “Aber [Geballe s] experiment war der Funke, der erregt uns. Es war Recht auf das Geld.”

Ich traf mich mit Geballe am Geophysikalischen Labor campus im Nordwesten von Washington, DC. Die maroden, schlaksige Physiker hatte nicht geplant auf der Jagd nach Supraleiter—seine Forschung konzentriert sich mehr auf die Entwicklung neuer Methoden zu Messen, wie hoch-Druck-Materialien, die Wärme gespeichert und die Frage, wie Materie sich verhält, tief in der Erde. Aber er war umworben von der Idee, die arbeiten an Hydride, insbesondere unter Somayazulu führen. “Es war etwas ganz besonderes, dass jemand mit so viel Erfahrung hatte, die Hingabe an junge Leute, die nicht wissen, was Sie tun” Geballe sagte. (Er ist auch der Enkel eines anderen bekannten Supraleitung Forscher, Ted Geballe.)

Wie die calcium-und yttrium-Hydride, bevor es, Lanthan-Hydrid-erwies sich als eine Ochsentour. Noch einmal die Splitter Lanthan-Folie und Wasserstoff-gas, waren eingekeilt zwischen den diamond-Zellen würde das team muss einen Weg finden, zu isolieren dem material aus der Außenwelt und ein Fadenkreuz von Drähten auf die Diamant-Tipps, die würde berühren die Lanthan-Hydrid-Kristall auf vier Seiten, so dass Sie Messen konnte, ob es sich in einem Supraleiter. Aber nach Monaten der Anstrengung, die Sie einfach nicht finden konnte, die Signatur in Ihre x-ray Messungen, die zeigen, dass Sie würde erfolgreich erstellt das material.

Dann, Somayazulu erinnerte sich an etwas aus seiner Vergangenheit Experimente. Er hatte gehofft, dass ein material namens Ammoniak-Boran könnte sich zu einem nützlichen Wasserstoff-storage-tool. Aber stattdessen brachten Sie die Wasserstoff-Atome unter Druck. Anstatt Wasserstoff-gas, Ammoniak-Boran anbieten würde, die Wasserstoff-Atome, die das experiment in Kontrollierbarer Weise. Dieser war immer noch nicht eine einfache Substanz, mit zu arbeiten: Es ist ein sehr reaktives, flockige weiße Pulver, das absorbiert Feuchtigkeit direkt aus der Luft. Sie haben, um es in einer glove-box mit der atmosphärischen Luft entfernt, damit nehmen Sie eine weitere erfolglose Reise nach Chicago. Aber es lieferte den benötigten Wasserstoff.

A polished diamond tip seen under a microscope.

Sagte Somayazulu: “Wir setzen zwei und zwei zusammen, wir haben es versucht, und es funktionierte.”

Alles, was Sie zu tun hatte, bringen diese Proben Argonne zu erhitzen, die gepressten Lanthan-Folie und Ammoniak-Boran mit speziellen laser-pulsing-Technik, entwickelt von Meng zu erstellen Lanthan-Hydrid. Ein konstanter Laserstrahl auf die Diamanten konnte Sie knacken, so Meng-Methode stattdessen verwendet werden kurze laser-Impulse, um die Wärme der Probe. “Zur Steuerung der kurze Puls ist so ziemlich der Schlüssel”, sagte Sie. Baldini würde Ihnen helfen, Messen die Kristalline Struktur, das Ergebnis zu bestätigen, ob oder nicht, Sie würden tatsächlich produziert das material.

Nach der Zerschlagung all jene Diamanten, die das team schließlich aus Lanthan-Hydrid-im Juni 2017—mit Druck etwas unter dem, was der ursprüngliche Theorien vorgeschlagen hatte—und veröffentlicht Ihre Ergebnisse später in diesem Jahr. Nach bringen das material zurück an das Labor an der Carnegie Institute, Somayazulu führten diese Bemühungen erfolgreich Messen Sie keinen Widerstand, in der das material bei Temperaturen, die höher als 8 Fahrenheit (-13 Grad Celsius), vielleicht so hoch wie 44 Grad Fahrenheit (7 Grad Celsius)—ein Herbst-Nacht in DC. Sie begann die Arbeit an einem Papier, in der Hoffnung der erste zu sein, übertragen Ihre historischen Erkenntnisse in die Welt. Der Druck war auf.

Die ganze Zeit, Eremets’ lab noch nicht veröffentlichten arbeiten auf Lanthan-Hydrid—obwohl das Geophysikalische Labor-team wusste, dass, angesichts der Tatsache, wie gut ein Experimentator Eremets war, es war kein Zweifel, er selbst war an etwas arbeiten, das wichtig ist. “Wir waren uns sicher Eremets würde reproduzieren Sie es sofort,” Somayazulu sagte. Im Mai 2018, Hemley präsentierte die Ergebnisse auf einer Konferenz in Madrid, und ein reporter für Physik Zeitschrift “Heute” begann mit dem schreiben einer Geschichte über die unveröffentlichte Folge.

Aber am August 21, Eremets’ team-Papier, dokumentieren die Supraleitung in Lanthan-Hydrid-bei etwas geringeren Temperaturen, erschien auf dem Physik arXiv-Papier-server. Die Washington, DC, team, dessen waren sich die Forscher nun aufgeteilt zwischen der Geophysikalischen Labor und der George Washington University, reichten Ihr Papier, um die server am August 23, am selben Tag, dass die Physik Heute Geschichte kam heraus. Eremets hatte das Rennen gewonnen.

“Es war nicht in Ordnung”, sagt Geballe. “Ich war enttäuscht.”

Trotz der Veröffentlichung der zweiten, Somayazulu, Geballe, und die anderen Forscher aus dem Labor noch angekreidet, Ihre Ergebnisse bis zu einem Sieg. “Wir waren sehr froh, dass es zwei Gruppen zeigen ähnliche Ergebnisse rund um die gleiche Temperatur hat,” Somayazulu mir gesagt. “Wir werden unabhängig geprüft, mit verschiedenen Techniken zu machen. Es ist große Wissenschaft.”

Aihaiti, auch jetzt an der George Washington Universität, anders—die teams müssen durch einen anderen zu existieren, unabhängig davon, wer Sie veröffentlicht erste. “Jemand anderes hat, um es zu beweisen unabhängig voneinander, sonst ist es unwirksam”, sagte er Gizmodo. Sie nicht den Nobelpreis gewinnen für ein Ergebnis, das kann nicht repliziert werden, nachdem alle. Und jedes Mitglied der beiden teams zur Verfügung gestellt, ein entscheidendes Stück, ohne die die Entdeckung würde nie vorgenommen wurden.

Für all die Mühe, es ist schwer zu sagen, ob wir bekommen haben, viel näher an die Realität von Hochtemperatur-Supraleitern. Lanthan ist einfach ein weiteres material, aus einer Liste von möglichen supraleitende Hydride, Theoretiker’ Programme ausgespuckt.

Es ist schwer vorstellbar, Lanthan-Hydrid-Supraleiter jemals erscheinen in der consumer-Technologie. Die teams synthetisiert, die nur über einen Staub-Fleck-Wert des Materials, aus teuren Zutaten zerkleinert unfassbaren Druck zwischen hand-gekröpft-Diamant-Hälften. Es gibt noch weitere Experimente durchgeführt werden, die auf Lanthan-Hydrid, um zu überprüfen, dass es wirklich tut, werden supraleitende bei den angekündigten Temperaturen, sowie versuche an anderen Materialien. Schließlich müssen Sie herausfinden, wie man den Druck nach unten.

A machine used to deposit electrical circuitry, in the form of a plasma, on top of the diamond in order to make superconductivity measurements.

Das Rennen zu produzieren Lanthan-Hydrid zeigt die fractal-wie die Natur-Wissenschaft-Forschung. Jeder Fortschritt baut auf jahrzehntelange Vorkenntnisse—aber auch die Anstrengungen zur Synthese von Lanthan-Hydrid-waren nur ein kleiner snapshot von der Arbeit passiert überall auf der Welt auf Hydride. Eine andere bekannte high-pressure physics group von der Universität Osaka hat gemeinsam mit Eremets’ team zur Messung der Supraleitung von Schwefelwasserstoff in einem hohen magnetischen Feld. HPSTAR, ein Institut in China gegründet durch wegweisende Physiker Ho-Kwang (Dave) Mao (einmal im Geophysikalischen Labor selbst Wissenschaftler) hat sich auch der Aufwand. Aber, während Hydride halten Sie die hoch-Temperatur Supraleiter-Rekord heute, es ist nicht abzusehen, ob andere Materialien könnten sich als nützlich in der Zukunft. Und es gibt eine ganze Gebiet der Hochdruck-Physik-Studium viele andere Eigenschaften in diesen Materialien.

Aber Lanthan-Hydrid-ist immer noch ein Kritischer Beitrag zu dem Gebiet. Durch die Erforschung tiefer, herauszufinden, warum Lanthan-Hydrid verwandelt sich in einen Supraleiter bei Raumtemperatur—vielleicht Theoretiker wie Liu wird in der Lage sein, zu optimieren Ihrer codes zu enthüllen, andere Materialien pflegen supraleitenden Verhalten bei höheren Temperaturen oder niedrigere drücke. Vielleicht Verbesserungen, um den Prozess der Herstellung bringen wird billiger Materialien, oder vielleicht finden wir einen Weg, um Hochdruck-Lanthan-Hydrid in einem Draht.

Für jetzt, die Wissenschaft schreitet langsam Fort, und auch diese kleinen Schritte gigantischen, internationalen Bemühungen. Ohne die Arbeit der beiden teams, es wäre kein Lanthan-Hydride. Jeder Beitrag Wissenschaftler spielten eine unersetzliche Rolle, und durch den Wettbewerb kamen Harmonie.

“Ich habe nie gesehen, diese Art der fantastische Synergie zwischen Theorie und experiment. Und es gibt alle diese Gruppen—in Deutschland, in Russland, in China, in Japan und in den Vereinigten Staaten,” Somayazulu sagte mir, “die sich nicht nur auf die Vorhersage [Supraleitern], aber ändern die aktuellen experimentellen Techniken zu tun, diese wirklich anspruchsvolle Messungen. Es bringt uns alle zusammen, und wir bilden verschiedene Bündnisse und Gruppen von Wissenschaftlern, es zu tun. Das ist das tolle an diesen Ergebnissen.”

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