Väte (som många av oss) fungerar konstigt under tryck. Teorin förutspår att när det krossas av vikten av mer än en miljon gånger vår atmosfär, blir detta lätta, rikliga, normalt gasformiga element först en metall, och ännu märkligare, en supraledare – ett material som leder elektricitet utan motstånd.
Forskare har varit ivriga att förstå och så småningom utnyttja supraledande väterika föreningar, kallade hydrider, för praktiska tillämpningar - från svävande tåg till partikeldetektorer. Men att studera beteendet hos dessa och andra material under enorma, ihållande tryck är allt annat än praktiskt, och att noggrant mäta dessa beteenden varierar någonstans mellan en mardröm och omöjlig.
Liksom kalkylatorn gjorde för aritmetik, och ChatGPT har gjort för att skriva uppsatser i fem stycken, tror Harvard-forskare att de har ett grundläggande verktyg för det svåra problemet med hur man mäter och avbildar beteendet hos hydridsupraledare vid högt tryck.
Publicerar i Nature , rapporterar de att de kreativt integrerar kvantsensorer i en standardtryckinducerande enhet, vilket möjliggör direkta avläsningar av det trycksatta materialets elektriska och magnetiska egenskaper.
Innovationen kom från ett mångårigt samarbete mellan professor i fysik Norman Yao Ph.D., och professor vid Boston University och tidigare postdoktor vid Harvard, Christopher Laumann, som tillsammans bröt från sin teoretikerbakgrund in i de praktiska övervägandena kring högtrycksmätning för flera år sedan.
Standardsättet att studera hydrider under extrema tryck är med ett instrument som kallas en diamantstädcell, som klämmer ihop en liten mängd material mellan två briljantslipade diamantgränssnitt.
För att upptäcka när ett prov har klämts tillräckligt för att bli supraledande, letar fysiker vanligtvis efter en dubbel signatur:en minskning av det elektriska motståndet till noll, såväl som avstötningen av ett närliggande magnetfält, a.k.a. Meissner-effekten. (Detta är anledningen till att en keramisk supraledare, när den kyls med flytande kväve, svävar över en magnet).
Problemet ligger i att fånga dessa detaljer. För att kunna applicera det erforderliga trycket måste provet hållas på plats av en packning som jämnt fördelar squishing och sedan inneslutas i en kammare. Detta gör det svårt att "se" vad som händer inuti, så fysiker har varit tvungna att använda lösningar som involverar flera prover för att separat mäta olika effekter.
"Fältet för supraledande hydrider har varit lite kontroversiellt, delvis för att mätteknikerna vid höga tryck är så begränsade," sa Yao.
"Problemet är att du inte bara kan sticka in en sensor eller en sond, eftersom allt är stängt och vid mycket högt tryck. Det gör det extremt svårt att komma åt lokala informationsbitar inifrån kammaren. Som ett resultat har ingen riktigt observerat de dubbla signaturerna för supraledning i ett enda prov."
För att lösa problemet designade og testade forskarna en smart eftermontering:De integrerade ett tunt lager av sensorer, gjorda av naturligt förekommande defekter i diamantens atomkristallgitter, direkt på ytan av diamantstädet. De använde dessa effektiva kvantsensorer, kallade vakanscentra för kväve, för att avbilda regioner inuti kammaren medan provet är trycksatt och korsar in i supraledande territorium.
För att bevisa sitt koncept arbetade de med ceriumhydrid, ett material som är känt för att bli en supraledare vid ungefär en miljon atmosfärers tryck, eller vad fysiker kallar megabarregimen.
Det nya verktyget kan hjälpa fältet inte bara genom att möjliggöra upptäckt av nya supraledande hydrider, utan också genom att ge enklare tillgång till de eftertraktade egenskaperna i befintliga material, för fortsatta studier.
"Du kan föreställa dig att eftersom du nu gör något i en [kvävevakans] diamantstädcell, och du kan omedelbart se att "det här området är nu supraledande, det här området är det inte", kan du optimera din syntes och komma på ett sätt att göra mycket bättre prover," sa Laumann.
Mer information: Norman Yao, avbildning av Meissner-effekten i hydridsupraledare med hjälp av kvantsensorer, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07026-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Harvard University
