Superconductivity of Tellurium Polyhydride with Tc above 90K

Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar een materiaal dat elektriciteit kan geleiden zonder enig energieverlies, een toestand die bekendstaat als supergeleiding. Hoewel dit fenomeen algemeen bekend is, vereist het meestal temperaturen die zo koud zijn dat ze alleen te vinden zijn in de diepste uithoeken van de ruimte, wat praktisch gebruik ongelooflijk moeilijk maakt. De zoektocht is onlangs geïntensiveerd rond een specifieke familie van materialen genaamd polyhydriden, verbindingen die bestaan uit waterstof gebonden aan andere elementen. Theoretisch bieden deze materialen een unieke belofte: als men ze met voldoende druk samenperst, worden de waterstofatomen zo dicht bij elkaar gedwongen dat ze zich als een metaal gaan gedragen, wat potentieel mogelijk maakt dat elektriciteit veel bij warmere temperaturen dan ooit tevoren vrijelijk kan stromen. Dit concept van "pre-compressie" suggereert dat door een enorme kracht uit te oefenen, onderzoekers de temperatuur die nodig is voor supergeleiding kunnen verlagen tot een punt waar het op een dag bruikbaar zou kunnen zijn in de echte wereld.

Voortbouwend op dit idee heeft een team van onderzoekers nu een nieuw hoofdstuk aan het verhaal toegevoegd door supergeleiding te ontdekken in een verbinding gemaakt van telluur en waterstof. Telluur is een chemisch element dat aan de rechterkant van het periodiek systeem te vinden is, en wanneer het onder extreme omstandigheden wordt gecombineerd met waterstof, vormt het een materiaal dat elektriciteit geleidt zonder weerstand bij een temperatuur van ongeveer 91 Kelvin, wat ongeveer -182 graden Celsius is. Hoewel dit nog steeds ver onder het vriespunt van water ligt, is het een aanzienlijke stap vooruit voor dit specifieke type materiaal en markeert het de eerste keer dat supergeleiding is waargenomen in een waterstofrijke verbinding van telluur.

Om dit materiaal te creëren, moesten de wetenschappers de verpletterende druk recreëren die diep in de aardkern wordt gevonden. Ze gebruikten een apparaat genaamd een diamantendief-cel (diamond anvil cell), die bestaat uit twee minuscule diamanten met platte uiteinden die tegen elkaar aan gedrukt kunnen worden om een monster tussen hen in samen te persen. In deze microscopische kamer plaatsten ze een korreltje telluur en een waterstofrijke stof genaamd ammoniakboraan, die zowel diende als bron van waterstof als medium om de druk over te brengen. Door het monster met een krachtige laser te verhitten tot temperaturen rond de 2.000 Kelvin, braken ze de ammoniakboraan af, waardoor waterstofgas vrijkwam dat met het telluur reageerde om de nieuwe verbinding te vormen. Dit proces was delicaat en moeilijk; de intense hitte die nodig was om het materiaal te smeden, beschadigde vaak de diamantendief-cellen, waardoor het moeilijk werd om het experiment te herhalen of het materiaal onder veranderende druk te testen.

Zodra het materiaal gevormd was, maten de onderzoekers de elektrische weerstand terwijl ze onder hoge druk hielden en afkoelden. Ze observeerden dat naarmate de temperatuur daalde, de elektrische weerstand van het monster scherp daalde en uiteindelijk volledig verdween, een duidelijk teken dat het materiaal een supergeleider was geworden. In een van hun monsters trad deze toestand van nul weerstand op bij een temperatuur van ongeveer 91 Kelvin. Om te bevestigen dat dit inderdaad supergeleiding was en niet slechts een verandering in de structuur van het materiaal of magnetisme, pasten ze magnetische velden toe. Ze vonden dat naarmate het magnetische veld sterker werd, de temperatuur waarbij het materiaal supergeleidend werd, lager werd; een gedrag dat een kenmerk is van echte supergeleiders. Deze gevoeligheid voor magnetische velden suggereerde ook dat de supergeleidende regio's binnen het monster verbonden waren door zwakke schakels, een veelvoorkomend kenmerk in materialen die bestaan uit vele kleine kristallen.

Het team richtte zich vervolgens op een krachtige röntgenstraal bij een groot onderzoekscentrum om in het materiaal te kijken en te zien hoe de atomen waren gerangschikt. Het diffractiepatroon dat zij vastlegden, onthulde dat de supergeleidende fase een specifieke verbinding was genaamd TeH4, waarbij één atoom telluur gebonden is aan vier atomen waterstof. De structuur van deze verbinding is vrij onderscheidend en bevat kooien van waterstofatomen die elkaars vlakken delen, waardoor een rooster ontstaat dat lijkt op een honingraat. Binnen deze structuur zitten paren waterstofatomen dicht bij elkaar, die bijna fungeren als individuele moleculen gevangen binnen het grotere raamwerk. Deze rangschikking komt overeen met de theoretische voorspellingen van andere wetenschappers, die hadden gesuggereerd dat deze specifieke vorm stabiel zou zijn onder zulke hoge druk en in staat zou zijn tot supergeleiding.

De ontdekking plaatst telluur-polyhydride naast zwavelhydride als een van de weinige bekende chalcogeen-polyhydride supergeleiders. Hoewel de onderzoekers de druk niet op en neer konden cyclen om te zien hoe het materiaal zich over een breder bereik zou gedragen vanwege de kwetsbaarheid van hun monsters, biedt de verzamelde data een solide fundament voor het begrijpen van hoe waterstofrijke materialen zich gedragen onder extreme spanning. De bevindingen bevestigen dat door deze elementen samen te persen, het mogelijk is om nieuwe toestanden van materie te creëren die elektriciteit met perfecte efficiëntie geleiden bij temperaturen die, hoewel nog steeds erg koud, warmer zijn dan die vereist door traditionele supergeleiders. Dit werk breidt de kaart van bekende supergeleidende materialen uit en biedt verder bewijs dat de theoretische belofte van hoogtemperatuur-supergeleiding in polyhydriden een tastbare realiteit aan het worden is.