Forskare har upptäckt en metalllegering som kan leda elektricitet med noll motstånd, eller supraledning, från omgivande tryck upp till tryck som liknar dem som finns nära jordens centrum. Materialet, som sannolikt är den första som visar denna typ av robust supraledning, beskrivs i en artikel i december 12, 2017, upplagan av Förfaranden från National Academy of Sciences .

Materialet är medlem i en ny familj av metalllegeringar som kallas högentropilegeringar (HEA), som är sammansatta av slumpmässiga atomskala-blandningar av element från blocket av "övergångsmetaller" på det periodiska systemet. HEAs är intressanta på flera sätt, inklusive strukturellt. De har enkla kristallstrukturer, men metaller ordnas slumpmässigt på gitterpunkterna, ge varje legering egenskaperna hos både ett glas och ett kristallint material.

HEA som studeras i detta arbete är unikt genom att det kan leda supraledande från lågt till högt tryck - även när det utsätts för tryck som liknar dem som finns vid det yttre området av vår planets kärna. Denna upptäckt gjordes av en grupp forskare från Institute of Physics vid Chinese Academy of Sciences och Chemistry Department vid Princeton University. HEA de studerade består av metaller tantal (Ta), niob (Nb), hafnium (Hf), zirkonium (Zr), och titan (Ti).

"Vi har observerat att denna HEA förblir i ett tillstånd av noll elektrisk motstånd hela vägen från ett bar tryck till trycket i jordens yttre kärna, utan strukturella förändringar, "sa en av studiens seniorforskare, Professor Liling Sun från Institute of Physics i Peking, till Phys.org .

Robert Cava, Russell Wellman Moore, professor i kemi vid Princeton, en annan senior författare, Lagt till, "Detta är en anmärkningsvärd sak - vi känner inte till något liknande material - och det gör detta HEA till en lovande kandidat för nya tillämpningar av superledare under extrema förhållanden."

Tryck är en av de externa variablerna som kan avslöja oväntade egenskaper i ett material. I superledare, till exempel, trycket har förändrat kritiska temperaturer (temperaturen under vilken ett material kommer att leda superledande) och inducerat supraledning i material som annars inte skulle uppvisa fenomenet.

Här, gruppen applicerade tryck på HEA med hjälp av en diamantstädcell, en enhet som använder de polerade ytorna på två diamanter - ett av de hårdaste materialen på jorden - för att pressa ett prov som placeras mellan dem. För att generera tillräckligt högt tryck för att utföra mätningarna på HEA, storleken på varje diamants culet - "punkten" i botten av pärlan - var 40 mikron (miljondelar av en meter), som är ungefär hälften av diametern på ett människohår.

För att spåra de möjliga strukturella förändringarna medan provet fanns i diamantstädcellen, gruppen använde synkrotronbaserad röntgendiffraktion (XRD) vid Shanghai Synchrotron Radiation Facility. XRD gör det möjligt för forskare att få strukturell information om ett kristallint prov baserat på det mönster som röntgenstrålarna gör efter att de diffrakteras bort från atomerna i provet. De kombinerade dessa tekniker med kompletterande mätningar av resistivitet och magnetoresistans för att karakterisera supraledningen.

Resultaten visar att HEA behåller sin grundläggande kristallstruktur, trots att provets volym komprimeras avsevärt (med en mätning, när trycket var cirka 96 GPa, volymen hade reducerats med cirka 28 procent).

Sol, Cava, och deras kollegor tillskriver materialets unika beteende och stabilitet till dess starka kristallstruktur, kombinerat med den till synes robusta naturen hos dess elektroniska struktur när den utsätts för en mycket stor mängd gitterkomprimering.

© 2018 Phys.org