เซ็กซี่บาคาร่า ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องสามารถทำงานโดยไม่มีแรงกดดันมากได้หรือไม่?

เซ็กซี่บาคาร่า นักฟิสิกส์ตั้งเป้าที่จะสร้างวัสดุที่ใช้งานได้จริงซึ่งนำไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานเป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นหาตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง ในที่สุดพวกเขาก็พบแล้ว การตามล่าหาวัสดุที่ดียิ่งขึ้นไปอีก

จนถึงปีที่แล้ว ตัวนำยิ่งยวดที่เป็นที่รู้จักทั้งหมด  

วัสดุที่นำไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทาน— จะต้องถูกทำให้เย็นลง หลายอุณหภูมิจนถึงต่ำมาก ทำให้ไม่สามารถใช้งานได้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ ในปี 2020 นักฟิสิกส์ Ranga Dias และเพื่อนร่วมงานรายงานว่าสารประกอบของคาร์บอน ซัลเฟอร์ และไฮโดรเจนมีตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง ( SN: 10/14/20 ) แต่ความจำเป็นในการระบายความร้อนได้เปลี่ยนไปเป็นข้อกำหนดที่ไม่สามารถทำได้อื่น: วัสดุต้องถูกบดขยี้ให้เหลือ 267 กิกะปาสกาล ซึ่งมากกว่าความดันบรรยากาศของโลกมากกว่า 2 ล้านเท่า

ตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์กำลังคิดค้นกลยุทธ์เพื่อลดการบีบตัว บางทีอาจถึงกับลดแรงกดดันลงสู่ระดับบรรยากาศด้วย “นี่คือสิ่งที่เราต้องการจะทำจริงๆ” Dias จากมหาวิทยาลัย Rochester ในนิวยอร์กกล่าว

ตัวนำยิ่งยวดที่ทำงานที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศสามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้หลากหลาย ทำให้คอมพิวเตอร์ได้รับการปรับปรุงและรถไฟลอยน้ำขั้นสูง และประหยัดพลังงานจำนวนมหาศาลในโครงข่ายไฟฟ้า

แต่จะค้นหาตัวนำยิ่งยวดที่ทำงานใกล้กับอุณหภูมิห้องและต้องการแรงดันน้อยกว่าได้อย่างไร “ฉันคิดว่านี่เป็นคำถามที่เหลืออยู่ในสาขานี้” นักฟิสิกส์ Lilia Boeri จากมหาวิทยาลัย Sapienza แห่งกรุงโรมกล่าวเมื่อวันที่ 16 มีนาคมในการประชุมออนไลน์ของ American Physical Society ระหว่างการประชุม นักฟิสิกส์หลายกลุ่มรายงานความคืบหน้า

การค้นหาตัวนำยิ่งยวด

ในการหาตัวนำยิ่งยวดขนาดใหญ่ตัวต่อไป จะช่วยให้รู้ว่าจะเริ่มล่าสัตว์ที่ไหน นักวิทยาศาสตร์กำลังใช้การคำนวณทางคอมพิวเตอร์เพื่อกำหนดโครงสร้างและคุณสมบัติของวัสดุในทางทฤษฎีและชี้นำการค้นหา นักเคมีเชิงทฤษฎี Eva Zurek กล่าวในที่ประชุมเมื่อวันที่ 16 มีนาคม กลยุทธ์นั้นได้ผลในอดีต Zurek จากมหาวิทยาลัยบัฟฟาโลในนิวยอร์กกล่าวว่า “ทฤษฎีมีบทบาทสำคัญมาก ในบางกรณีเป็นการทำนายโครงสร้างเหล่านี้ก่อนที่จะสร้างขึ้น ตัวอย่างเช่น การคาดการณ์ดังกล่าวทำให้นักวิจัยค้นพบสารประกอบแลนทานัมและไฮโดรเจนซึ่งถูกพบในปี 2018 ว่าเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงเป็นประวัติการณ์จนถึงประมาณ –13° องศาเซลเซียส ( SN: 9/10/18 )

ตอนนี้ การคาดคะเนได้นำนักวิทยาศาสตร์ไปสู่ตัวนำยิ่งยวดที่ทำจากอิตเทรียมและไฮโดรเจน Dias รายงานเมื่อวันที่ 18 มีนาคมที่การประชุม APS ในการทำงานร่วมกันกับ Zurek ตัวนำยิ่งยวดที่สูงถึงประมาณ –11° C ตัวนำยิ่งยวดอิตเทรียม-ไฮโดรเจนของ Dias เป็นหนึ่งในตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงสุดที่รู้จัก ในขณะที่ตัวนำยิ่งยวดคาร์บอน กำมะถัน และไฮโดรเจนของ Dias ยังคงเป็นตัวบันทึกอุณหภูมิ แต่วัสดุชนิดใหม่นี้ต้องการแรงดันที่ต่ำกว่าอย่างเห็นได้ชัด แม้ว่าที่ 182 กิกะปาสคาล แต่ก็ยังไม่มีการบีบง่ายๆ Dias และ Zurek ยังรายงานผลของพวกเขาในวันที่ 19 มีนาคมในPhysical Review Letters

รายชื่อผู้ถือบันทึกอุณหภูมิสูงถูกครอบงำโดยตัวนำยิ่งยวดที่อุดมไปด้วยไฮโดรเจน ไฮโดรเจนบริสุทธิ์คาดว่าจะกลายเป็นโลหะเมื่อถูกบีบ ซึ่งจะเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง ( SN: 8/10/16 ) แต่ไฮโดรเจนที่เป็นโลหะนั้นต้องการแรงกดที่รุนแรงจนยากต่อการสร้างขึ้น โดยการเพิ่มองค์ประกอบอื่น เช่น แลนทานัมหรืออิตเทรียม นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างตัวนำยิ่งยวดที่ทำหน้าที่คล้ายกับไฮโดรเจนโลหะที่เข้าใจยาก แต่อยู่ภายใต้แรงกดดันที่ต่ำกว่า

การคำนวณทางทฤษฎีได้สำรวจการรวมกันของไฮโดรเจนและองค์ประกอบเดี่ยวอื่น ๆ โดยมองหาตัวนำยิ่งยวดที่เป็นไปได้ เขตแดนใหม่กำลังคำนวณการรวมกันของสองธาตุที่มีไฮโดรเจน เช่น สารประกอบคาร์บอน-ซัลเฟอร์-ไฮโดรเจนที่ Dias พบในการทดลอง แต่งานนั้นทำให้เกิดความท้าทายเพิ่มเติม: มีองค์ประกอบให้เลือกมากเกินไป “มันจะระเบิดใส่หน้าเราเลย จำนวนของชุดค่าผสมที่เป็นไปได้” Zurek กล่าว มีงานวิจัยชิ้นหนึ่งแนะนำว่าเทคนิคนี้จะประสบความสำเร็จในการลดแรงกดดัน

กำลังศึกษาวัสดุใหม่Boeri และเพื่อนร่วมงานรายงานในที่ประชุมและ ในบทความที่โพสต์เมื่อวันที่ 22  กุมภาพันธ์ที่ arXiv.org ว่าการรวมกันของแลนทานัม โบรอน และไฮโดรเจนอาจมีตัวนำยิ่งยวดที่แรงดันต่ำ โครงสร้างทางเคมีคล้ายกับตัวนำยิ่งยวดปี 2018 ที่ทำจากแลนทานัมและไฮโดรเจน ซึ่งมีอะตอมไฮโดรเจนล้อมรอบอะตอมแลนทานัม ในสารประกอบใหม่นี้ อะตอมของโบรอนจะเติมพื้นที่ว่างรอบๆ กรงเพิ่มเติม ซึ่งให้แรงดันเคมีเพิ่มเติม Boeri กล่าว ซึ่งหมายความว่าหากวัสดุถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ วัสดุนั้นสามารถคงสภาพความเป็นตัวนำยิ่งยวดไว้ได้แม้ว่าแรงดันภายนอกจะต่ำถึง 40 กิกะปาสกาล อุณหภูมิที่คาดการณ์ไว้จะต่ำกว่าที่ –147° C แต่ก็ยังค่อนข้างอบอุ่นเมื่อเทียบกับตัวนำยิ่งยวดส่วนใหญ่

“เราค่อนข้างแปลกใจจริงๆ ที่จะทำงานในลักษณะนี้” Boeri กล่าว โดยปกติ นักเคมีจะคาดหวังให้โบรอนสร้างพันธะกับไฮโดรเจน แทนที่จะทำหน้าที่ปากกาในกรงไฮโดรเจน แต่เคมีภายใต้ความกดดันทำให้กฎเกณฑ์ปกติผิดไป เซ็กซี่บาคาร่า