연구원들은 실행 가능한 초전도 물질이 만들어졌다고 말했습니다.

[아름이]

연구원들은 실행 가능한 초전도 물질이 만들어졌다고 말했습니다.
날짜:
2023년 3월 8일
원천:
로체스터 대학교
요약:
연구원들은 실용적인 응용을 위해 충분히 낮은 온도와 압력 모두에서 초전도 물질의 생성을 보고합니다. 새로운 논문에서 연구원들은 화씨 69도 및 10킬로바(평방 인치당 145,000파운드 또는 psi)의 압력에서 초전도성을 나타내는 질소 도핑 루테튬 수소화물을 설명합니다.

전체 이야기
역사적인 업적에서 로체스터 대학의 연구원들은 실용적인 응용을 위해 충분히 낮은 온도와 압력에서 초전도 물질을 만들었습니다.

기계 공학 및 물리학 조교수인 Ranga Dias가 이끄는 팀에 따르면 "이 물질로 주변 초전도성과 응용 기술의 새벽이 도래했습니다." Nature 의 논문에서 연구원 들은 화씨 69도 및 10킬로바(평방 인치당 145,000파운드 또는 psi)의 압력에서 초전도성을 나타내는 NDLH(질소 도핑 루테튬 수소화물)를 설명합니다.

145,000psi가 여전히 매우 높은 것처럼 보일 수 있지만(해수면에서의 압력은 약 15psi), 예를 들어 칩 제조에서 일상적으로 사용되는 변형 공학 기술은 훨씬 더 높은 내부 화학 압력에 의해 결합된 재료를 통합합니다.

과학자들은 한 세기 이상 동안 응집 물질 물리학에서 이 획기적인 발전을 추구해 왔습니다. 초전도체는 두 가지 주요 특성을 가지고 있습니다. 전기 저항이 사라지고 방출된 자기장이 초전도체 주위를 통과합니다. 이러한 자료는 다음을 가능하게 할 수 있습니다.

전선의 저항으로 인해 현재 발생하는 에너지의 최대 2억 메가와트시(MWh)의 손실 없이 전기를 전송하는 전력망
마찰이 없는 공중부양 고속열차
MRI 및 자기 심전도와 같은 보다 저렴한 의료 영상 및 스캐닝 기술
디지털 논리 및 메모리 장치 기술을 위한 더 빠르고 효율적인 전자 장치
자기장을 사용하여 플라스마를 가두어 무한한 전력의 원천으로 핵융합을 달성하는 토카막 기계
이전에 Dias 팀은 Nature 및 Physical Review Letters 의 논문에서 각각 화씨 58도/3900만 psi 및 12도 화씨/2600만 psi에서 초전도성인 탄소질 황 수소화물 및 이트륨 수퍼하이드라이드의 두 가지 재료를 생성했다고 보고했습니다 .

새로운 발견의 중요성을 감안할 때 Dias와 그의 팀은 그들의 연구를 문서화하고 저널 편집자들의 철회로 이어진 이전 Nature 논문 이후에 발전된 비판을 막기 위해 특별한 시간을 보냈습니다 . 이전 논문은 이전 작업을 검증하는 새로운 데이터와 함께 Nature 에 다시 제출되었다고 Dias는 말합니다. 새로운 데이터는 Argonne 및 Brookhaven National Laboratories의 연구실 외부에서 초전도 전환을 실시간으로 목격한 과학자 청중 앞에서 수집되었습니다. 새 논문에서도 비슷한 접근 방식을 취했습니다.

Dias의 연구실에 있는 5명의 대학원생(Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan 및 Dylan Durkee)이 공동 저자로 나열되어 있습니다. "그룹의 모든 사람이 실험에 참여했습니다."라고 Dias는 말합니다. "정말 집단적인 노력이었습니다."

초전도와 그 너머의 '놀라운 시각적 변화'

희토류 금속과 수소를 결합한 다음 질소 또는 탄소를 첨가하여 생성된 수소화물은 최근 몇 년 동안 연구자들에게 초전도 물질을 만들기 위한 감질나는 "작동 레시피"를 제공했습니다. 기술적인 측면에서 희토류 금속 수소화물은 희토류 금속 이온이 캐리어 기증자 역할을 하는 포접형 케이지 구조를 형성하여 H2 분자의 해리를 향상시킬 수 있는 충분한 전자를 제공합니다. 질소와 탄소는 물질을 안정시키는 데 도움이 됩니다. 결론: 초전도가 발생하려면 더 적은 압력이 필요합니다.

연구원들은 이트륨 외에도 다른 희토류 금속을 사용했습니다. 그러나 생성된 화합물은 여전히 ​​적용에 실용적이지 않은 온도 또는 압력에서 초전도성이 됩니다.

그래서 이번에는 디아스가 주기율표의 다른 곳을 찾아보았습니다.

Lutetium은 "시도하기에 좋은 후보"처럼 보였다고 Dias는 말합니다. 포논 연화를 억제하고 주변 온도에서 초전도가 발생하는 데 필요한 전자-포논 결합을 향상시키는 f 궤도 구성에 고도로 국부적으로 완전히 채워진 14개의 전자가 있습니다. "핵심 질문은 필요한 압력을 낮추기 위해 이것을 어떻게 안정화할 것인가였습니다. 그리고 그것이 질소가 등장한 곳입니다."

탄소와 마찬가지로 질소는 재료 내에서 보다 안정적이고 케이지와 같은 격자를 생성하는 데 사용할 수 있는 견고한 원자 구조를 가지고 있으며 Dias에 따르면 저주파 광학 포논을 강화합니다. 이 구조는 더 낮은 압력에서 초전도가 발생할 수 있는 안정성을 제공합니다.

Dias의 팀은 99%의 수소와 1%의 질소의 가스 혼합물을 만들어 순수한 루테튬 샘플이 있는 반응 챔버에 넣고 구성 요소가 화씨 392도에서 2~3일 동안 반응하도록 했습니다.

생성된 루테튬-질소-수소 화합물은 처음에는 "광택이 나는 푸르스름한 색상"이었습니다. 그런 다음 화합물이 다이아몬드 앤빌 셀에서 압축되었을 때 "놀라운 시각적 변형"이 발생했습니다. 초전도가 시작될 때 파란색에서 분홍색으로, 그런 다음 밝은 빨간색 비초전도 금속 상태로 변했습니다.

" 매우 밝은 빨간색 이었습니다 . "라고 Dias는 말합니다. "저는 이 강렬한 색상을 보고 충격을 받았습니다. 우리는 유머러스하게 이 상태의 물질에 대한 코드명인 "reddmatter"를 Spock이 인기 있는 2009년 Star Trek 영화에서 만든 물질의 이름을 따서 제안했습니다 . " 코드네임이 붙었습니다.

초전도성을 유도하는 데 필요한 145,000psi의 압력은 Dias의 연구실에서 생성된 이전의 낮은 압력보다 거의 두 배 낮은 수준입니다.

새로운 초전도 물질 예측을 위한 기계 학습 알고리즘

Dias의 National Science Foundation CAREER 상의 자금 지원과 미국 에너지부의 보조금으로 그의 연구실은 이제 초전도 물질이 실제 응용을 위해 충분히 낮은 주변 온도와 압력 모두에서 존재할 수 있는지 여부에 대한 질문에 답했습니다.

"초전도 소비자 전자 제품, 에너지 전송 라인, 운송 및 핵융합을 위한 자기 구속의 상당한 개선으로 가는 경로가 이제 현실이 되었습니다."라고 Dias는 말합니다. "우리는 지금 현대 초전도 시대에 있다고 믿습니다."

예를 들어 Dias는 질소 도핑된 수소화 루테튬이 핵융합을 달성하기 위한 토카막 기계 개발의 진행을 크게 가속화할 것이라고 예측합니다. 강력하고 수렴하는 레이저 빔을 사용하여 연료 펠릿을 폭발시키는 대신 토카막은 도넛 모양의 인클로저에서 방출되는 강력한 자기장을 사용하여 과열된 플라즈마를 가두어 유지하고 점화합니다. 실온에서 "거대한 자기장"을 생성하는 NDLH는 신기술의 "게임 체인저"가 될 것이라고 Dias는 말합니다.

Dias에 따르면 특히 흥미로운 것은 다른 가능한 초전도 물질을 예측하기 위해 자신의 연구실에서 초전도 실험에서 축적된 데이터로 기계 학습 알고리즘을 교육할 수 있는 가능성입니다. 질소, 수소 및 탄소.

"일상 생활에서 우리는 다양한 응용 분야에 사용하는 다양한 금속을 가지고 있으므로 다양한 종류의 초전도 재료도 필요합니다."라고 Dias는 말합니다. "우리가 다른 응용 분야에 다른 금속을 사용하는 것처럼 응용 분야에 따라 더 많은 주변 초전도체가 필요합니다."

공동 저자인 Keith Lawlor는 이미 로체스터 대학의 통합 연구 컴퓨팅 센터를 통해 사용할 수 있는 슈퍼컴퓨팅 리소스를 사용하여 알고리즘을 개발하고 계산을 시작했습니다.

초전도 재료를 위한 북부 뉴욕 허브?

Dias의 연구 그룹은 최근 River Campus의 Hopeman Hall 3층에 있는 새롭고 확장된 연구실로 이사했습니다. 이것은 로체스터 대학교에서 학위를 수여하는 초전도 혁신 센터(CSI)를 시작하려는 야심찬 계획의 첫 번째 단계라고 그는 말합니다.

이 센터는 초전도 과학을 발전시키기 위해 추가 교수진과 과학자를 대학으로 끌어들이는 생태계를 만들 것입니다. 훈련받은 학생들은 해당 분야의 연구원 풀을 넓힐 것입니다.

"우리의 희망은 북부 뉴욕을 초전도 기술의 허브로 만드는 것입니다."라고 Dias는 말합니다.

영상: https://youtu.be/ryJxMYX7YEU

출처 : https://www.sciencedaily.com/