En compressant des solides moléculaires simples avec de l'hydrogène à des pressions extrêmement élevées, les ingénieurs et physiciens de l'Université de Rochester ont, pour la première fois, créé un matériau supraconducteur à température ambiante.




le travail a été mené par le laboratoire de Ranga Dias, professeur adjoint de physique et de génie mécanique.

Dias dit que le développement de matériaux supraconducteurs – sans résistance électrique et sans expulsion de champ magnétique à température ambiante – est le « Saint Graal » de la physique de la matière condensée. Recherchés depuis moreover d'un siècle, ces matériaux « peuvent définitivement changer le monde tel que nous le connaissons », dit Dias.




En établissant le nouveau report un dispositif de recherche utilisé pour examiner de minuscules quantités de matériaux sous une pression extraordinairement élevée.

L'hydrure de soufre carboné présentait une supraconductivité à environ 58 degrés Fahrenheit et une pression d'environ 39 tens of millions de psi. C'est la première fois qu'un matériau supraconducteur est observé à température ambiante.

« En raison des limites des basses températures, des matériaux aux propriétés aussi extraordinaires n'ont pas tout à fait transformé le monde comme beaucoup auraient pu l'imaginer. Cependant, notre découverte fera tomber ces barrières et ouvrira la porte à de nombreuses programs potentielles », déclare Dias, qui est également affilié aux programmes de science des matériaux et de physique à haute densité d'énergie de l'Université.

Les purposes incluent:

  • Les réseaux électriques qui transmettent de l'électricité sans perdre jusqu'à 200 tens of millions de mégawattheures (MWh) d'énergie qui se produit maintenant en raison de la résistance dans les fils
  • Une nouvelle façon de propulser des trains en lévitation et d'autres modes de transport
  • Imagerie médicale et tactics de numérisation telles que l'IRM et la magnétocardiographie
  • Une électronique as well as rapide et plus efficace pour la logique numérique et la technologie des dispositifs de mémoire

« Nous vivons dans une société des semi-conducteurs, et avec ce variety de technologie, vous pouvez amener la société dans une société supraconductrice où vous n'aurez in addition jamais besoin de choses comme des batteries », déclare Ashkan Salamat de l'Université du Nevada à Las Vegas, co-auteur de la Découverte.

La quantité de matériau supraconducteur créé par les cellules d'enclume de diamant est mesurée en picolitres – environ la taille d'une seule particule de jet d'encre.

Le prochain défi, dit Dias, est de trouver des moyens de créer les matériaux supraconducteurs à température ambiante à des pressions additionally basses, de sorte qu'ils seront économiques à produire en as well as grand volume. Par rapport aux hundreds of thousands de livres de pression créées dans les cellules à enclume de diamant, la pression atmosphérique de la Terre au niveau de la mer est d'environ 15 PSI.

Pourquoi la température ambiante est importante

Découverte pour la première fois en 1911, la supraconductivité confère aux matériaux deux propriétés clés. La résistance électrique disparaît. Et tout semblant de champ magnétique est expulsé, en raison d'un phénomène appelé effet Meissner. Les lignes de champ magnétique doivent passer autour du matériau supraconducteur, ce qui permet de faire léviter ces matériaux, ce qui pourrait être utilisé pour les trains à grande vitesse sans frottement, appelés trains maglev.

Les électroaimants supraconducteurs puissants sont déjà des composants essentiels des trains maglav, des devices d'imagerie par résonance magnétique (IRM) et de résonance magnétique nucléaire (RMN), des accélérateurs de particules et d'autres systems de pointe, y compris les premiers supercalculateurs quantiques.

Mais les matériaux supraconducteurs utilisés dans les appareils ne fonctionnent généralement qu'à des températures extrêmement basses – inférieures à toutes les températures naturelles sur Terre. Cette restriction les rend coûteux à entretenir – et trop coûteux à étendre à d'autres programs potentielles. « Le coût de conservation de ces matériaux à des températures cryogéniques est si élevé que vous ne pouvez pas vraiment en tirer pleinement parti », explique Dias.

Auparavant, la température la additionally élevée pour un matériau supraconducteur était atteinte l'année dernière dans le laboratoire de Mikhail Eremets au Max Planck Institute for Chemistry de Mayence, en Allemagne, et du groupe Russell Hemley de l'Université de l'Illinois à Chicago. Cette équipe a signalé une supraconductivité de -10 à 8 degrés Fahrenheit en utilisant du superhydride de lanthane.

Les chercheurs ont également exploré les oxydes de cuivre et les produits chimiques à base de fer comme candidats potentiels pour les supraconducteurs à haute température ces dernières années. Cependant, l'hydrogène – l'élément le furthermore abondant de l'univers – offre également un élément de foundation prometteur.

« Pour avoir un supraconducteur à haute température, vous voulez des liaisons as well as fortes et des éléments légers. Ce sont les deux critères de base », dit Dias. « L'hydrogène est le matériau le in addition léger et la liaison hydrogène est l'une des moreover fortes.

« L'hydrogène métallique solide est théorisé pour avoir une température Debye élevée et un fort couplage électron-phonon qui est nécessaire pour la supraconductivité à température ambiante », dit Dias.

Cependant, des pressions extrêmement élevées sont nécessaires juste pour amener l'hydrogène pur à un état métallique, ce qui a été réalisé pour la première fois dans un laboratoire en 2017 par le professeur de l'Université Harvard Isaac Silvera et Dias, puis un post-doctorant dans le laboratoire de Silvera.

Un « changement de paradigme  »

Et ainsi, le laboratoire de Dias à Rochester a poursuivi un « changement de paradigme » dans son approche, en utilisant comme choice des matériaux riches en hydrogène qui imitent la section supraconductrice insaisissable de l'hydrogène pur, et peuvent être métallisés à des pressions beaucoup as well as basses.

Tout d'abord, le laboratoire a combiné l'yttrium et l'hydrogène. Le superhydrure d'yttrium résultant présentait une supraconductivité à ce qui était alors une température record d'environ 12 degrés Fahrenheit et une pression d'environ 26 millions de livres par pouce carré.

Ensuite, le laboratoire a exploré les matériaux dérivés organiques covalents riches en hydrogène.

Ces travaux ont abouti à l'hydrure de soufre carboné. « Cette présence de carbone est d'une significance capitale ici », rapportent les chercheurs. Un « réglage de composition » supplémentaire de cette combinaison d'éléments peut être la clé pour atteindre la supraconductivité à des températures encore in addition élevées, ajoutent-ils.