Гидриды, созданные путем объединения редкоземельных металлов с водородом, а затем добавлением азота или углерода, в последние годы предоставили исследователям дразнящий "рабочий рецепт" для создания сверхпроводящих материалов. С технической точки зрения, гидриды редкоземельных металлов образуют клатратоподобные каркасные структуры, где ионы редкоземельных металлов действуют как доноры-носители, обеспечивая достаточное количество электронов, которые усиливают диссоциацию молекул H2. Азот и углерод помогают стабилизировать материалы. Вывод: для возникновения сверхпроводимости требуется меньшее давление.
Помимо иттрия исследователи использовали и другие редкоземельные металлы. Однако полученные соединения становятся сверхпроводящими при температурах или давлениях, которые все еще нецелесообразны для постоянного использования. Тогда ученые решили продолжить поиски в другом месте периодической таблицы.
И это принесло свои плоды. Основой для, возможно, исторического открытия, выступил лютеций. Он имеет сильно локализованные полностью заполненные 14 электронов в своей f-орбитальной конфигурации, которые подавляют смягчение фононов и обеспечивают усиление электрон-фононного взаимодействия, необходимого для сверхпроводимости при температуре окружающей среды. Стабилизировав лютеций с помощью азота ученым удалось создать пригодны для постоянног оприменения сверхпроводник.
Полученное соединение лютеций-азот-водород изначально имело "блестящий голубоватый цвет", что указано в статье описывающей открытие. Когда соединение затем сжимали в ячейке с алмазной наковальней, происходило визуальное преобразование: от голубого до розового в начале сверхпроводимости, а затем до ярко-красного несверхпроводящего металлического состояния.
Авторы работы были потрясены, увидев цвета такой интенсивности. Они предложили кодовое название материала в этом состоянии — "красная материя" — в честь материала, который Спок создал в популярном сериале Star Trek. Кодовое название прижилось.
Давление в 10194.5 кг/см², необходимое для индукции сверхпроводимости, почти на два порядка ниже, чем предыдущее минимальное давление, которого удавалось добиться входе опытов со сверхпроводимостью. Может показаться, что это все еще слишком высокий показатель, но методы инженерии деформации, обычно используемые, например, в производстве микросхем, включают материалы, удерживаемые вместе за счет внутреннего химического давления, которое еще выше.
Ученые добивались этого прорыва в физике конденсированного состояния более века. Сверхпроводящие материалы обладают двумя ключевыми свойствами: электрическое сопротивление исчезает, а испускаемые магнитные поля проходят вокруг сверхпроводящего материала. Такие материалы могут позволить создать:
- Электросети, которые передают электроэнергию без потери до 200 миллионов мегаватт-часов (МВтч) энергии, которая сейчас возникает из-за сопротивления в проводах
- Бесшумные левитирующие высокоскоростные поезда
- Более доступные методы медицинской визуализации и сканирования, такие как МРТ и магнитокардиография.
- Более быструю и эффективную электронику для цифровой логики и технологии запоминающих устройств
- Машины токамак, которые используют магнитные поля для удержания плазмы для достижения термоядерного синтеза в качестве источника неограниченной мощности.
