Komprimering av enkla molekylära fasta ämnen med väte vid extremt höga tryck, Ingenjörer och fysiker vid University of Rochester har, för första gången, skapat material som är supraledande vid rumstemperatur.

Visas som omslagsartikel i tidskriften Natur , arbetet utfördes av Ranga Dias labb, en biträdande professor i fysik och maskinteknik.

Dias säger att utveckling av material som är supraledande - utan elektriskt motstånd och utdrivning av magnetfält vid rumstemperatur - är den "heliga gralen" av kondenserad materiens fysik. Sökt i mer än ett sekel, sådana material "kan definitivt förändra världen som vi känner den, " säger Dias.

När man satte det nya rekordet, Dias och hans forskargrupp kombinerade väte med kol och svavel för att fotokemiskt syntetisera enkel organiskt härledd kolhaltig svavelhydrid i en diamantstädcell, en forskningsapparat som används för att undersöka mycket små mängder material under extraordinärt högt tryck.

Den kolhaltiga svavelhydriden uppvisade supraledning vid cirka 58 grader Fahrenheit och ett tryck på cirka 39 miljoner psi. Detta är första gången som supraledande material har observerats vid rumstemperatur.

"På grund av gränserna för låg temperatur, material med så extraordinära egenskaper har inte riktigt förändrat världen på det sätt som många kanske hade föreställt sig. Dock, vår upptäckt kommer att bryta ner dessa barriärer och öppna dörren till många potentiella tillämpningar, säger Dias, som också är knuten till universitetets materialvetenskap och högenergidensitetsfysikprogram.

Applikationer inkluderar:

• Elnät som överför el utan förlust av upp till 200 miljoner megawattimmar (MWh) av den energi som nu uppstår på grund av motstånd i ledningarna.
• Ett nytt sätt att driva svävande tåg och andra former av transporter.
• Medicinska avbildnings- och skanningstekniker såsom MRI och magnetokardiografi
• Snabbare, effektivare elektronik för digital logik och minnesenhetsteknik.

"Vi lever i ett halvledarsamhälle, och med denna typ av teknik, du kan ta samhället in i ett supraledande samhälle där du aldrig kommer att behöva saker som batterier igen, " säger Ashkan Salamat vid University of Nevada Las Vegas, en medförfattare till upptäckten.

Mängden supraledande material som skapas av diamantstädcellerna mäts i pikoliter - ungefär lika stor som en enda bläckstrålepartikel.

Nästa utmaning, Dias säger, håller på att hitta sätt att skapa supraledande material vid rumstemperatur vid lägre tryck, så de kommer att vara ekonomiska att producera i större volym. I jämförelse med de miljontals pund tryck som skapas i diamantstädceller, jordens atmosfärstryck vid havsnivån är cirka 15 PSI.

Varför rumstemperatur spelar roll

Upptäcktes först 1911, supraledning ger material två nyckelegenskaper. Elektriskt motstånd försvinner. Och varje sken av ett magnetfält drivs ut, på grund av ett fenomen som kallas Meissnereffekten. Magnetfältslinjerna måste passera runt det supraledande materialet, gör det möjligt att sväva sådant material, något som skulle kunna användas för friktionsfria höghastighetståg, kända som maglev-tåg.

Kraftfulla supraledande elektromagneter är redan kritiska komponenter i maglavtåg, maskiner för magnetisk resonanstomografi (MRI) och kärnmagnetisk resonans (NMR), partikelacceleratorer och annan avancerad teknik, inklusive tidiga kvantsuperdatorer.

Men de supraledande materialen som används i enheterna fungerar vanligtvis bara vid extremt låga temperaturer - lägre än alla naturliga temperaturer på jorden. Denna begränsning gör dem dyra att underhålla – och för dyra för att utvidgas till andra potentiella applikationer. "Kostnaden för att hålla dessa material vid kryogena temperaturer är så hög att du inte riktigt kan få full nytta av dem, " säger Dias.

Tidigare, den högsta temperaturen för ett supraledande material uppnåddes förra året i Mikhail Eremets labb vid Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland, och Russell Hemley-gruppen vid University of Illinois i Chicago. Det laget rapporterade supraledning vid -10 till 8 grader Fahrenheit med hjälp av lantansuperhydrid.

Forskare har också utforskat kopparoxider och järnbaserade kemikalier som potentiella kandidater för högtemperatursupraledare under de senaste åren. Dock, väte – det vanligaste grundämnet i universum – erbjuder också en lovande byggsten.

"Att ha en högtemperatursupraledare, du vill ha starkare bindningar och lätta element. Det är de två mycket grundläggande kriterierna, " säger Dias. "Väte är det lättaste materialet, och vätebindningen är en av de starkaste.

"Fast metalliskt väte är teoretiserat att ha hög Debye-temperatur och stark elektron-fonon-koppling som är nödvändig för rumstemperatur supraledning, " säger Dias.

Dock, extraordinärt höga tryck behövs bara för att få rent väte till ett metalliskt tillstånd, som först uppnåddes i ett labb 2017 av Harvard University professor Isaac Silvera och Dias, sedan postdoc i Silveras labb.

Ett "paradigmskifte"

Och så, Dias labb i Rochester har bedrivit ett "paradigmskifte" i sitt tillvägagångssätt, använda som ett alternativ, väterika material som efterliknar den svårfångade supraledande fasen av rent väte, och kan metalliseras vid mycket lägre tryck.

Först kombinerade labbet yttrium och väte. Den resulterande yttriumsuperhydriden uppvisade supraledning vid vad som då var en rekordhög temperatur på cirka 12 grader Fahrenheit och ett tryck på cirka 26 miljoner pund per kvadrattum.

Därefter utforskade labbet kovalenta väterika organiskt härledda material.

Detta arbete resulterade i den kolhaltiga svavelhydriden. "Denna närvaro av kol är av likvärdig betydelse här, " rapporterar forskarna. Ytterligare "sammansättningsinställning" av denna kombination av element kan vara nyckeln till att uppnå supraledning vid ännu högre temperaturer, lägger de till.