物理学者は、摂氏23度以下で水素化ランタンの超伝導を確認しました。

ビデオ: 物理学者は、摂氏23度以下で水素化ランタンの超伝導を確認しました。

Отличия серверных жестких дисков от десктопных
ビデオ: [サイエンスZERO] 脱炭素!二酸化炭素回収技術一気紹介 | 大気から直接回収して資源へ!日本で世界で開発レース最前線 | NHK 2023, 2月
物理学者は、摂氏23度以下で水素化ランタンの超伝導を確認しました。
物理学者は、摂氏23度以下で水素化ランタンの超伝導を確認しました。
Anonim
Image
Image

ロシアの科学者が参加した物理学者のグループは、250ケルビン(摂氏-23度)の温度と170万気圧の圧力で水素化ラタンLaH10の超伝導を確認しました。今回、研究者らは、サンプル抵抗が臨界温度を下回るのを確認しただけでなく、同位体効果と臨界温度の磁場強度への依存性も確認しました。さらに、物理学者は記録的な超伝導体の結晶構造を確立しました。記事はNatureに掲載され、作品のプレプリントはarXiv.orgWebサイトに掲載されています。

超伝導の現象が100年以上前に発見されたという事実にもかかわらず、物理学者はそれがどのように機能するかについてまだほとんど理解していません。超伝導の「標準的な」理論は、バーディーン-クーパー-シュリーファー(BCS)理論であり、クーパー対の凝縮によって超伝導相が発生します。この理論は、金属や他のいくつかの化合物の低温特性をよく説明していますが、臨界温度が30ケルビンを超えるほとんどの超伝導体にはうまく対応していません。したがって、物理学者はBCS理論とともに、さらに数十の超伝導理論を開発しました。これらの理論は、一般に2つの大きなグループに分けられます。弱い結合の理論と層間結合の理論です。そのような理論が発表されている特別なジャーナルもあります(Journal of Superconductivity and NovelMagneticism)。確かに、これらの理論のほとんどのパフォーマンスには疑問があります。

Migdal-Eliashberg理論(Migdal-Eliashberg理論)も高温超伝導の理論に属しています。実際、フォノン交換によるクーパー対の形成に基づく修正BCS理論です。この理論は、十分に高いフォノンエネルギーと、フォノンと電子の間の十分に強い結合の場合、超伝導体の臨界温度が非常に高くなる可能性があることを予測しています。この場合、超電導相が現れる圧力は、原則として数百万気圧であり、材料の結晶構造はクラスレートに似ています。

特に、Eliashbergの理論は、203ケルビン(摂氏-70度)の温度と150万気圧の圧力で、硫化水素H3Sの超伝導を予測しました。これは後で実際に確認されました。さらに、この理論の枠組み内で数値計算を使用して、過去10年間で、物理学者は200ケルビンを超える臨界温度を持ついくつかの化合物を発見しました:水素化カルシウムCaH6(T c〜235ケルビン、P〜150万気圧)、ランタン水素化物LaH10(T c〜280ケルビン、P〜200万気圧)および水素化イットリウムYH10(T c〜320ケルビン、P〜250万気圧)。最後の2つの化合物は、待望の室内超伝導体である可能性があります。

昨年8月、物理学者の2つのグループが直接実験でこれらの予測を一度に確認しました[1、2]。両方のグループは250ケルビンの温度と170万気圧の圧力で水素化ランタンLaH10の超伝導の兆候を見ました。これらの値は理論の予測よりもわずかに低いですが、順番に一致しています。残念ながら、当時、科学者たちはより詳細な測定を行う時間がありませんでした。基本的に、物理学者は、臨界温度以下の冷却に伴って、サンプルの抵抗が急激に低下するだけでした(科学者の仕事について詳しくは、ニュースレターをご覧ください)。さて、ミハイル・エレムツが率いる研究者グループは、得られたサンプルで測定に戻り、超伝導相に伴う他の特徴的な効果、つまり同位体効果とマイスナー効果を確認しました。さらに、科学者たちは記録的な超伝導体の結晶構造を確立しました。

一般的に、マイスナー効果を確認するには、サンプルの磁化を測定し、磁力線がサンプルから完全にずれていることを示す必要があります。残念ながら、このような測定は、得られた水素化物サンプルでは不可能です。それらの直径は20マイクロメートルを超えず、最も正確なSQUID磁力計でさえ磁化を感知できません。さらに、サンプルはダイヤモンドアンビル内にある必要があります。ダイヤモンドアンビルはサンプルを希望の圧力に圧縮します。それにもかかわらず、この効果の超伝導の性質は、臨界温度の外部磁場の強さへの依存性からも確立できます。十分に強い磁場が材料に浸透し、超伝導相を破壊します。臨界磁場の臨界温度への依存性は、放物線で近似的に説明できます。実験は、この依存性が水素化ランタンで満たされることを示した。

Image
Image

加熱中(赤線)および冷却中(青線)の臨界温度に対する臨界磁場の依存性

興味深いことに、さまざまな実験で、物理学者は250ケルビンだけでなく、低温でもサンプルの抵抗が急激に低下することを観察しました。したがって、科学者たちは、水素化ランタンを合成する方法では、1つではなく、異なる結晶格子を持ついくつかの化合物を形成できることを示唆しました。この仮説を検証するために、科学者はX線構造解析を実行しました。言い換えれば、科学者はサンプルをX線撮影し、結晶のさまざまな方向で回折ピークの位置を測定し、それらから結晶構造を再構築しました。予想通り、科学者たちは水素化ランタンのいくつかの相を発見しました。このフェーズでは、Fm3mグループの面心立方格子が最大臨界温度に対応します。

Image
Image

サンプルの抵抗の温度(メイン画像)と圧力(カット)への依存性。結晶格子が異なる化合物は、異なる色で表示されます。

Image
Image

LaH10(b)とLaD10(c)の典型的な回折パターン(a)と回折ピークの位置

同位体効果を確認するために、研究者らは水素化ランタン結晶格子の水素原子を重水素原子に置き換えました。より正確には、科学者は重水素雰囲気で化合物を再合成し、適切な結晶格子を使用してそれらからサンプルを選択しました。最後に、研究者らは、得られたLaD10超伝導体の臨界温度を測定しました。この温度は約180ケルビンであり、これは超伝導体の臨界温度がそれを構成する同位体の質量の根に反比例することを示す同位体効果と一致しています。

Image
Image

LaH10(黒)とLaD10(青)の抵抗の温度依存性

したがって、Eremtsグループは、水素化ランタンLaH10が超伝導体のいくつかの特性を一度に示すことを確認しました。物理学者は、彼らの研究が高温超伝導と化合物の結晶構造を予測する理論を支持していることに注目しています。したがって、研究者たちは、将来的には実際の部屋の超伝導体を見つけるのに役立つと信じています。

昨年7月、インドの物理学者Dev KumarThapaとAnshuPandeyが、摂氏-37度、常圧で超伝導体を得ることができたと発表したことは注目に値します。このために、科学者は金基板上のナノ構造銀を冷却しました。超電導を維持するために莫大な圧力を必要とする水素化ランタンとは異なり、インドの開発は実用化される可能性があります。しかし、インドの記事は他の物理学者を疑っています。さらに悪いことに、研究者たちは実験の詳細を開示することを拒否した。現在まで、物理学者の記事は査読付きのジャーナルに掲載されておらず、プレプリントとしてのみ存在しています。したがって、実用的な部屋の超伝導について話すのは時期尚早です。まず、TapとPandeyの発見が独立して検証されるのを待たなければなりません。

超電導のさまざまな理論については、「臨界温度以下」の資料で詳しく読むことができます。特に、この記事では、「標準的な」バーディーン-クーパー-シュリーファーメカニズム、マグノン、励起子、およびよりエキゾチックなメカニズムについて説明します。そして、超電導に関する研究の初期段階、特にノーベル賞受賞者のアレクセイ・アブリコソフの貢献については、資料「超電導のパイオニア」に語っています。

トピックによって人気があります