Bir Asırdan Fazladır Aranan “Oda Sıcaklığında Süper İletken” Sentezlendi: Karbonlu Sülfür Hidrit

Fotoğraf-1: 15 °C sıcaklık ve 267 GPa basınçta fotokimyasal olarak sentezlenmiş üçlü karbon-sülfür-hidrit sisteminde süperiletkenlik gözlendi. (1) Makine mühendisliği, fizik ve astronomi yardımcı doçenti olan Ranga Dias tarafından yürütülen yeni bir araştırmanın hedefi, oda sıcaklığında süper iletken malzemeler geliştirmek. Günümüzde, süper iletkenliğe ulaşmak için aşırı soğuk gerekiyor. Dias’ın laboratuvarından alınan bu fotoğrafta gösterildiği gibi, bir mıknatıs sıvı azot ile soğutulmuş bir süper iletkenin üzerinde yüzüyor. 

Rochester Üniversitesi mühendisleri ve fizikçileri basit moleküler katıları aşırı derecede yüksek basınçlarda hidrojenle sıkıştırarak, ilk kez oda sıcaklığında süper iletken olan bir malzeme yarattılar.

Nature dergisinde kapak haberi olarak öne çıkan çalışma, fizik ve makine mühendisliği yardımcı doçenti olan Ranga Dias’ın laboratuvarında gerçekleştirildi.

Dias, oda sıcaklığında elektrik direnci olmayan ve manyetik alanını dışarı iten süper iletken maddeler geliştirmenin, yoğun madde fiziğinin “kutsal kasesi” (Holy Grail) olduğunu söylüyor. Dias, bir yüzyıldan uzun süredir aranan bu tür malzemeler “bildiğimiz dünyayı kesinlikle değiştirebilir” diyor.

Yeni rekoru kırarken, Dias, Salamat ve diğer ekip arkadaşları, fotokimyasal olarak basit organik türevli karbonlu sülfür hidrit sentezlemek için, bir elmas tabanlı hücre cihazında (diamond anvil cell-DAC) hidrojeni, karbon ve kükürt ile birleştirdi. Elmas tabanlı hücre, olağanüstü yüksek basınç altında çok az miktarda malzemeyi incelemek için kullanılan bir araştırma cihazıdır.

Fotoğraf-2: Elmas tabanlı hücre (diamond anvil cell-DAC) (2)

Araştırmacıların 14 Ekim 2020 tarihinde Nature Dergi’sinde yayınlanan makalelerine göre: (1)

İki elmasın uçları arasında oyulmuş mikroskobik bir yuva içine 1:1 molar oranında elementel karbon ve kükürt karışımı yerleştirildi. Karışıma moleküler hidrojen gazı verildi. Araştırmacılar daha sonra 4 GPa basınçta 532 nm lazer ışını kullanarak numunede kimyasal reaksiyonları başlattılar. Raman Spektroskopisi tekniği ile elmas tabanlı hücre içindeki kimyasal ve yapısal dönüşümleri, kristal oluşumunu izlediler. Deneysel sıcaklık düştükçe, akım direnci sıfıra düştü ve bu numunenin süper iletken hale geldiğini gösterdi. Basınç arttırıldıkça, bu geçiş daha yüksek sıcaklıklarda gerçekleşti. Araştırma ekibi ayrıca kristalin, geçiş sıcaklığında, manyetik alanını dışarı attığını da kanıtladı.

Sonuçta sentezlenen karbonlu sülfür hidrit sistemi, 287.7 ± 1.2 K (yaklaşık 15 °C) kritik sıcaklıkta ve 267 ± 10 GPa basınçta süper iletkenlik sergiledi. Bu, süper iletkenliğin oda sıcaklığında gözlendiği ilk durumdur.

Video-1: Rochester Üniversitesi. Dias, oda sıcaklığında Süper İletkeni tanıtıyor. (3)

Üniversitenin Malzeme Bilimi ve Yüksek Enerji Yoğunluğu Fiziği programlarının da üyesi olan Dias, “Bu kadar olağanüstü özelliklere sahip malzemeler, düşük sıcaklığın sınırları nedeniyle, dünyayı çoğu kişinin hayal edebileceği şekilde tam olarak dönüştürmedi. Ancak, keşfimiz bu engelleri yıkacak ve birçok potansiyel uygulamaya kapı açacak.”diyor.

Uygulamalar Şunları İçerir:

• Günümüzdeki elektrik kablolarında direnç nedeniyle 200 milyon megavat saate (MWh) varan enerji kaybının olmadığı, enerji iletim hatları.
• Havada giden trenleri ve diğer ulaşım türlerini ilerletmenin yeni bir yolu.
• MRI ve manyetokardiyografi gibi tıbbi görüntüleme ve tarama teknikleri
• Sayısal mantık ve bellek cihaz teknolojisi için daha hızlı, daha verimli elektronik aletler.

Makalenin ortak yazarlarından Nevada Las Vegas Üniversitesi’nden Ashkan Salamat, “Yarı iletken bir toplumda yaşıyoruz ve bu tür bir teknoloji ile toplumu bir daha asla pil gibi şeylere ihtiyaç duymayacağınız süper iletken bir topluma taşıyabilirsiniz” diyor.

Elmas tabanlı hücrelerde oluşturulan süper iletken malzeme miktarı, pikolitre cinsinden ölçülür — yaklaşık olarak tek bir mürekkep püskürtme damlacığının boyutu kadar.

Dias’a göre bir sonraki aşama, oda sıcaklığında süper iletken malzemeleri daha düşük basınçlarda elde etmenin yollarını bulmak, böylece daha büyük ölçekte ekonomik üretim yapmak. Elmas tabanlı hücrede yaratılan milyonlarca poundluk basınca kıyasla, Dünya’nın deniz seviyesindeki atmosferik basıncı yaklaşık 15 PSI’dır. (yaklaşık 0,000103 GPa)

Oda Sıcaklığı Neden Önemlidir?

İlk 1911’de keşfedilmiş olan süper iletkenlik, malzemelere iki temel özellik kazandırır. Elektrik direnci yok olur. Ve manyetik alan, Meissner etkisi olarak adlandırılan olguya bağlı olarak, süper iletkenin dışına itilir. Manyetik alan çizgileri, süper iletken malzemenin etrafından geçmek zorunda kalır, bu da maglev trenleri olarak bilinen sürtünmesiz yüksek hızlı trenler için kullanılabilecek bu tür malzemeleri havaya kaldırmayı mümkün kılar.

Güçlü süper iletken elektromıknatıslar halen maglev trenlerinin, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) ve nükleer manyetik rezonans (NMR) cihazlarının, parçacık hızlandırıcılarının ve öncül kuantum süper bilgisayarları da kapsayan diğer gelişmiş teknolojilerin kritik bileşenleridir.

Ancak bu cihazlarda kullanılan süper iletken malzemeler genel olarak sadece son derece düşük sıcaklıklarda iş görür. Bu kısıtlılık, bunların bakımını pahalı ve diğer potansiyel uygulamalara ulaşılamayacak kadar maliyetli hale getirir. Dias, “Bu malzemeleri kriyojenik sıcaklıklarda tutmanın maliyeti o kadar yüksek ki, onlardan gerçekten tam olarak faydalanamıyoruz.” diyor.

Bundan önce, bir süper iletken malzeme için en yüksek sıcaklık geçen yıl, Almanya Mainz’deki Max Planck Kimya Enstitüsü’nde Mikhail Eremets laboratuvarı ve Chicago’daki Illinois Üniversitesi’nden Russell Hemley grubunda elde edilmişti. Bu ekip, lantan süperhidrit kullanarak -10 ⁰F ila 8 ⁰F (-23,3 ⁰C ile -13,3 ⁰C) arasında süper iletkenlik bildirdi.

Araştırmacılar ayrıca, son yıllarda yüksek sıcaklık süper iletkenler için potansiyel adaylar olarak bakır oksitleri ve demir bazlı kimyasalları da araştırdılar. Bununla birlikte, evrendeki en bol element olan hidrojen de gelecek vadeden bir yapı taşı sunuyor.

“Yüksek sıcaklıkta bir süper iletkene sahip olmak için, daha güçlü bağlar ve hafif elementler istenir. Bunlar çok temel iki kriter.” diyor Dias. “Hidrojen en hafif malzemedir ve hidrojen bağı en güçlü bağlardan biridir.”

Dias, “Katı metalik hidrojenin, oda sıcaklığında süper iletkenlik için gerekli olan yüksek Debye sıcaklığına ve güçlü elektron-fonon eşleşmesine sahip olduğu varsayılmaktadır.” diyor.

Bununla birlikte, saf hidrojeni metalik bir duruma geçirmek için olağanüstü yüksek basınçlara ihtiyaç vardır ki, bu ilk olarak 2017’de Harvard Üniversitesi profesörü Isaac Silvera ile Dias tarafından bir laboratuvarda gerçekleştirilmiştir.

Bir “Paradigma Değişimi”

Ve böylece, Dias’ın Rochester’daki laboratuvarı, saf hidrojenin ulaşılması zor olan süper iletken evresini taklit eden ve çok daha düşük basınçlarda metalik forma geçebilen, alternatif, hidrojence zengin maddeleri kullanarak, yaklaşımında bir “paradigma değişimi” başlattı.

İlk olarak laboratuar itriyum ve hidrojeni birleştirdi. Ortaya çıkan itriyum süperhidrit, o zamanın rekoru olan, yaklaşık 12 ⁰F (-11,11 ⁰C) yüksek sıcaklıkta ve yaklaşık 26 milyon PSI basınçta (179,26 GPa) süper iletkenlik sergiledi.

Daha sonra laboratuvar, kovalent hidrojen açısından zengin organik türevli maddeleri araştırdı.

Bu çalışma, karbonlu sülfür hidrit ile sonuçlandı. Araştırmacılar elde ettikleri sonuçları şöyle özetliyorlar: (1)

“Bu karbon varlığı burada hidrojenle aynı derecede önemlidir. Ancak, üçlü kristalin kesin yapısı ve kimyasal formülü net olarak bilinmiyor. Daha yüksek basınçlara gidildikçe, numune boyutu küçülüyor. Bu tür ölçümleri zorlaştıran da budur. Bu C-S-H üçlü sistemlerin moleküler değişimini daha düşük basınçlarda kontrol ederek kimyasal bileşiminin ayarı, atmosferik basınçta kararlı ve geçiş sıcaklığı çok yüksek olan süper iletkenler yaratmanın anahtarı olabilir. Böylece dünyanın enerji ekonomisini, kuantum bilgi işlem ve algılamayı dönüştürecek olan, oda sıcaklığında sağlam bir süper iletken malzeme elde edilebilecektir. ”

Kaynak: scitechdaily.com

(1) (PDF) Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride (researchgate.net)

(2) diamond-anvil-cell.jpg (1280×992) (22century.ru)

(3) https://youtu.be/UWchM7zoLxo