Οι επιστήμονες πέτυχαν μια πρωτιά στη μελέτη των υπερυδριδίων του λανθανίου, μιας κατηγορίας υλικών που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην απελευθέρωση της υπεραγωγιμότητας σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες.
Η μετάδοση της ηλεκτρικής ενέργειας
Το όνειρο της μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς απώλεια ενέργειας έχει οδηγήσει δεκαετίες έρευνας για την υπεραγωγιμότητα. Μερικοί από τους πιο υποσχόμενους υποψηφίους μέχρι στιγμής είναι τα υπερυδρίδια, υλικά πλούσια σε υδρογόνο που, υπό τεράστιες πιέσεις, έχουν επιδείξει υπεραγώγιμη συμπεριφορά σε θερμοκρασίες πολύ υψηλότερες από τους συμβατικούς υπεραγωγούς.
Τώρα, μια διεθνής ομάδα που περιλαμβάνει επιστήμονες από το Κέντρο Helmholtz-Dresden-Rossendorf (HZDR) πέτυχε μια σημαντική ανακάλυψη στη μελέτη αυτών των υλικών, χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) για να διερευνήσει τα υπερυδρίδια του λανθανίου υπό ακραία πίεση για πρώτη φορά.
Τα νέα υλικά
Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που χάνουν όλη την ηλεκτρική αντίσταση κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία ειδική για κάθε υλικό. Αυτό επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα να κινείται μέσα από αυτά χωρίς απώλεια ενέργειας. Στους περισσότερους γνωστούς υπεραγωγούς, αυτή η μετάβαση συμβαίνει κάτω από περίπου 140 Kelvin (μείον 133 βαθμούς Κελσίου), που σημαίνει ότι η πρακτική χρήση απαιτεί απαιτητικά συστήματα ψύξης. Εξαιτίας αυτού, οι επιστήμονες αναζητούν υλικά που μπορούν να γίνουν υπεραγώγιμα σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες.
Τα υπερυδρίδια είναι ενώσεις πλούσιες σε υδρογόνο στις οποίες ένα μέταλλο, όπως το λανθάνιο, βρίσκεται μέσα σε ένα σφιχτά συσκευασμένο πλέγμα υδρογόνου. Υπό τεράστια πίεση, παρόμοια με τις συνθήκες που βρίσκονται μέσα στους πλανήτες, αυτά τα υλικά μπορούν να αναπτύξουν ασυνήθιστες ηλεκτρονικές ιδιότητες και μπορεί να εμφανίσουν υπεραγωγιμότητα κοντά στη θερμοκρασία δωματίου. Αυτή τη στιγμή κατέχουν το παγκόσμιο ρεκόρ για την υψηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης στην οποία έχουν παρατηρηθεί σημάδια υπεραγωγιμότητας.
Για να επιτευχθούν αυτές οι συνθήκες, οι ερευνητές συμπιέζουν τα δείγματα σε κελιά διαμαντένιου άκμονα, πιέζοντάς τα ανάμεσα σε δύο διαμάντια σε πιέσεις μεγαλύτερες από ένα εκατομμύριο ατμόσφαιρες. Η δυσκολία έγκειται στο ότι τα δείγματα είναι εξαιρετικά μικρά, επομένως η μελέτη τους απαιτεί εξαιρετική πειραματική ακρίβεια.
Μαγνητικοί υπερφακοί σε μικροκλίμακα
Η νέα εργασία αντιμετωπίζει αυτή την πρόκληση με τους λεγόμενους φακούς Lenz, μικροσκοπικές αγώγιμες δακτυλιωτές δομές που εστιάζουν τα πεδία υψηλής συχνότητας που απαιτούνται για τη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) απευθείας στον όγκο του δείγματος. Συγκεντρώνοντας και ενισχύοντας αυτά τα πεδία, οι φακοί καθιστούν δυνατές τις μετρήσεις NMR υπό ακραίες συνθήκες μέσα σε ένα κελί διαμαντένιου άκμονα.
«Έπρεπε να εστιάσουμε τα πεδία υψηλής συχνότητας ακριβώς εκεί που βρίσκεται το δείγμα ανάμεσα στα διαμαντένια αμόνια, σε μια περιοχή μόλις μερικών δεκάδων μικρομέτρων, η οποία είναι μικρότερη από τη διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας», εξηγεί ο Δρ. Florian Bärtl από το Εργαστήριο Υψηλού Μαγνητικού Πεδίου (HLD) της Δρέσδης στο HZDR. «Με τη χρήση φακών Lenz, καταφέραμε να ενισχύσουμε το σήμα υψηλής συχνότητας σε τέτοιο βαθμό που, για πρώτη φορά, έγιναν προσβάσιμα σημαντικά δεδομένα NMR για τα υπερυδρίδια». Οι μετρήσεις προσφέρουν άμεσες πληροφορίες για τα υλικά σε ατομική κλίμακα και βοηθούν τους ερευνητές να τα κατανοήσουν πιο καθαρά.
Υψηλότερα μαγνητικά πεδία ως πρόσθετη δοκιμή καταπόνησης
Η ομάδα είχε μελετήσει προηγουμένως τα ίδια υλικά με παλμικούς μαγνήτες υψηλού πεδίου στο HLD μετρώντας την ηλεκτρική τους αντίσταση. Αυτά τα μαγνητικά πεδία λειτουργούν ως δοκιμή καταπόνησης για υπεραγωγούς επειδή δείχνουν τις μέγιστες εντάσεις πεδίου στις οποίες η υπεραγώγιμη κατάσταση μπορεί να παραμείνει σταθερή.
Μια πλήρης εικόνα αυτής της κατηγορίας υλικών προκύπτει μόνο όταν χρησιμοποιούνται και οι δύο μέθοδοι μαζί: μελέτες NMR υπό υψηλή πίεση και μετρήσεις αντίστασης στα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία.
Η έρευνα διεξήχθη σε στενή συνεργασία με ειδικούς υψηλής πίεσης από το Κέντρο Προηγμένης Έρευνας Επιστήμης και Τεχνολογίας Υψηλής Πίεσης (HPSTAR) στο Πεκίνο. «Η συνεργασία με το HLD ήταν κρίσιμη για το έργο μας», λέει ο Δρ. Dmitrii Semenok. «Οι εγκαταστάσεις υψηλού πεδίου που διατίθενται εκεί και η εμπειρογνωμοσύνη στα όργανα υψηλής συχνότητας παρέχουν ιδανικές συνθήκες για αυτά τα πειράματα».
Μακροπρόθεσμα, οι ερευνητές θέλουν να κατανοήσουν καλύτερα τους φυσικούς μηχανισμούς πίσω από την υπεραγωγιμότητα σε υλικά πλούσια σε υδρογόνο. Αυτή η γνώση θα μπορούσε να βοηθήσει στην καθοδήγηση της ανάπτυξης νέων υλικών για πιο ενεργειακά αποδοτικές τεχνολογίες.
www.worldenergynews.gr
