Sökandet efter eftertraktade högtemperatursupraledare kommer att bli lättare med en ny "lag inom en lag" som upptäckts av Skoltech- och MIPT-forskare och deras kollegor, som kom på en koppling mellan ett elements position i det periodiska systemet och dess potential att bilda en supraledande hydrid vid hög temperatur. Den nya artikeln publiceras i tidskriften Aktuell åsikt i Solid State &Materials Science . Forskningen stöddes av Russian Science Foundation.

supraledande material, med noll motstånd och därmed ingen energiförlust till värme, skulle vara extremt användbar för vår elektronik och elnät. Supraledande magneter används redan i MRI-maskinen på ditt lokala sjukhus och i partikelacceleratorer som Large Hadron Collider vid CERN.

Just nu finns det två sätt att komma till supraledning, både vid extremerna:mycket låga temperaturer eller mycket höga tryck. Några av de "varmaste" supraledarna av det första slaget, cuprates, måste fortfarande kylas ner till cirka 100 K (-173 °C), vilket är långt ifrån normala förhållanden. Det finns förutsägelser att metalliskt väte kan visa supraledande egenskaper vid nästan rumstemperatur; spärren är i det tryck som krävs, vilket är mer än 4 miljoner atmosfärer, nästan på gränsen för vår tekniska kapacitet.

Det är därför forskare tittar på hydrider, föreningar av väte och ett annat grundämne, och det har visat sig att de fungerar som supraledare vid relativt höga temperaturer och lägre tryck. Det aktuella rekordet på upp till minus 23 grader C visades förra året för LaH ₁₀ , lantandekahydrid, vid ett tryck på 170 gigapascal, eller 1,7 miljoner atmosfärer. Även om trycket fortfarande är för högt för att möjliggöra praktisk användning, forskning på supraledande hydrider har redan viktiga konsekvenser för andra klasser av supraledare, som skulle kunna fungera vid normalt tryck och temperatur.

Skoltech Ph.D. student Dmitrii Semenok och Skoltech och MIPT Professor Artem R. Oganov tillsammans med sina kollegor har hittat en regel som gör det möjligt att förutsäga den maximala supraledande kritiska temperaturen, maxT _C , för en metallhydrid baserad endast på den elektroniska strukturen hos metallatomer. Det betyder att sökandet efter nya supraledande hydrider kommer att bli lättare.

"Kopplingen mellan supraledning och det periodiska systemet var förbryllande till en början. Vi är fortfarande inte helt säkra på dess ursprung, men vi tror att det beror på att element vid gränsen mellan s- och p- eller s- och d-element (ungefär mellan 2:a och 3:e gruppen i tabellen) har en elektronisk struktur som är ovanligt känslig för kristallfältet, och detta är perfekt för elektron-fonon-kopplingen, som är orsaken till supraledning i hydrider, " sade Artem R. Oganov, en medförfattare till verket.

Förutom att upptäcka en kvalitativ regel, de tränade också ett neuralt nätverk för att förutsäga maxT _C för föreningar där inga experimentella eller teoretiska data fanns tillgängliga. För vissa element, tidigare publicerade data om Tc av hydrider verkade avvika från vanligt beteende. Forskarna började sedan kontrollera dessa data genom att använda USPEX, den evolutionära algoritmen utvecklad av Oganov och hans elever för att förutsäga termodynamiskt stabila hydrider av dessa grundämnen.

"För element där de publicerade värdena för maxTc var (baserat på den upptäckta regeln) för låga eller för höga, gruppen gjorde systematiska sökningar efter stabila hydrider. Deras nya data bekräftade den upptäckta regeln och gav nya hydrider för magnesium (Mg), strontium (Sr), barium (Ba), cesium (Cs) och rubidium (Rb). Till exempel, en förutspådd strontiumhexahydrid, SrH ₆ , har en maxT _C på 189 K (minus 84 grader C) vid 100 GPa, medan BaH ₁₂ , en teoretisk bariumsuperhydrid, kan ha ett relativt högt maxT _C upp till 214 K (minus 59 grader C), sa Alexander Kvashnin, Skoltech och MIPT senior forskare och medförfattare till forskningen.

Tidigare under 2019, Oganov och hans kollegor från Ryssland, USA och Kina syntetiserade ceriumsuperhydrid CeH ₉ , som har supraledande egenskaper vid 100-110 K och vid ett (relativt) lågt tryck på 120 GPa. En annan supraledare upptäckt av forskargruppen (Dmitry Semenok, Ivan Trojan, Alexander Kvashnin, Artem R. Oganov, och deras kollegor), toriumhydrid ThH10, har en hög kritisk temperatur på 161 K.

"Nu, genom att använda den nyupptäckta regeln och det neurala nätverket kan vi fokusera på mer komplexa föreningar som är ännu mer lovande i vår strävan efter supraledning vid rumstemperatur – ternära superhydrider som innehåller två grundämnen och väte. Vi har redan förutspått ett antal hydrider som kan konkurrera med eller överträffa LaH ₁₀ , " sa den första författaren till verket, Dmitrii Semenok.