August 18, 2022

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Physiker machen Fortschritte im Rennen um die Supraleitung bei Raumtemperatur

Ein Team von Physikern des Nevada Extreme Conditions Laboratory (NEXCL) des UNLV verwendete eine Massey-Ambosszelle, ein Forschungsgerät ähnlich dem abgebildeten, in ihrer Forschung, um den Druck zu senken, der zur Überwachung eines Materials erforderlich ist, das bei Raumtemperatur supraleitend ist. Bildnachweis: Bild mit freundlicher Genehmigung von NEXCL

Vor weniger als zwei Jahren war die Welt der Wissenschaft schockiert über die Entdeckung eines Materials, das bei Raumtemperatur supraleitend ist. Jetzt hat ein Team von Physikern an der University of Nevada Las Vegas (UNLV) den Einsatz noch einmal erhöht, indem es diese Leistung mit dem niedrigsten jemals aufgezeichneten Druck reproduziert hat.

Dies bedeutet, dass die Wissenschaft einem nutzbaren, wiederholbaren Material, das eines Tages den Energietransport revolutionieren könnte, näher denn je ist.

Es machte 2020 internationale Schlagzeilen, indem es entdeckte Erstmals Supraleitung bei Raumtemperatur Geschrieben von dem UNLV-Physiker Ashkan Salamat und seiner Kollegin Ranja Dias, einer Physikerin an der University of Rochester. Um dieses Kunststück zu erreichen, brachten die Wissenschaftler eine chemische Mischung aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff zuerst in einen metallischen Zustand und dann in einen supraleitenden Zustand bei Raumtemperatur unter extrem hohem Druck – 267 Gigapascal – Bedingungen, die man nur in der Natur in der Nähe des Zentrums findet die Erde.

Mit einer Geschwindigkeit von weniger als zwei Jahren sind die Forscher nun in der Lage, das Kunststück mit nur 91 Gigapascal zu vollenden – etwa ein Drittel des ursprünglich gemeldeten Drucks. Die neuen Erkenntnisse wurden als Vorabartikel in der Zeitschrift veröffentlicht chemische Kommunikation Dieser Monat.

Super Entdeckung

Durch eine detaillierte Abstimmung der Kohlenstoff-, Schwefel- und Wasserstoffzusammensetzung, die beim ursprünglichen Durchbruch verwendet wurde, sind die Forscher nun in der Lage, ein Material unter niedrigem Druck herzustellen, das seinen supraleitenden Zustand beibehält.

„Dies sind Drücke auf einem Niveau, das außerhalb des Labors schwer zu verstehen und zu beurteilen ist, aber unser aktueller Kurs zeigt, dass es möglich ist, relativ hohe Leitungstemperaturen bei konstant niedrigen Drücken zu erreichen – und das ist unser ultimatives Ziel“, sagte der Studienleiter Autor Gregory Alexander Smith. Postgraduierter Forschungsstudent bei UNLV Labor für extreme Bedingungen in Nevada (Nexel). „Wenn wir Geräte für die Bedürfnisse der Gesellschaft nützlich machen wollen, müssen wir letztendlich den Druck verringern, der erforderlich ist, um sie herzustellen.“

Obwohl der Druck immer noch sehr hoch ist – etwa tausendmal höher als das, was Sie am Grund des Marianengrabens im Pazifischen Ozean erleben könnten – rasen sie weiter auf ein Ziel zu, das sich Null nähert. Es ist ein heißes Rennen bei UNLV, da die Forscher ein besseres Verständnis der chemischen Beziehung zwischen Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff erlangen, aus denen das Material besteht.

„Unser Wissen über die Beziehung zwischen Kohlenstoff und Schwefel schreitet schnell voran, und wir finden Verhältnisse, die zu deutlich anderen und effizienteren Reaktionen führen als ursprünglich beobachtet“, sagte Salamat, der NEXCL bei UNLV leitet und an der neuesten Studie mitgewirkt hat. „Die Beobachtung solch unterschiedlicher Phänomene in einem ähnlichen System zeigt nur den Reichtum von Mutter Natur. Es gibt so viel zu verstehen, und jeder neue Fortschritt bringt uns näher an den Rand alltäglicher supraleitender Geräte.“

Der heilige Gral der Energieeffizienz

Supraleitung ist ein faszinierendes Phänomen, das erstmals vor über einem Jahrhundert beobachtet wurde, aber nur bei deutlich niedrigeren Temperaturen jede Idee einer praktischen Anwendung ausgeschlossen wurde. Erst in den 1960er Jahren stellten Wissenschaftler die Hypothese auf, dass dieses Kunststück bei noch höheren Temperaturen möglich sein könnte. Die Entdeckung eines Supraleiters bei Raumtemperatur im Jahr 2020 durch Salamat und Kollegen begeisterte die Welt der Wissenschaft zum Teil, weil die Technologie den elektrischen Fluss ohne Widerstand unterstützt, was bedeutet, dass Strom, der durch einen Stromkreis fließt, unendlich und ohne Energieverlust geleitet werden kann. Dies könnte erhebliche Auswirkungen auf die Energiespeicherung und -übertragung haben und alles unterstützen, von besseren Handybatterien bis hin zu einem effizienteren Stromnetz.

„Die globale Energiekrise zeigt keine Anzeichen einer Verlangsamung, und die Kosten steigen teilweise, weil das US-Stromnetz aufgrund der Ineffizienz der aktuellen Technologie jährlich fast 30 Milliarden US-Dollar verliert“, sagte Salamat. „Für den gesellschaftlichen Wandel müssen wir mit Technologie führend sein, und die Arbeit, die heute stattfindet, steht meiner Meinung nach an der Spitze der Lösungen von morgen.“

Laut Salamat könnten die Eigenschaften von Supraleitern eine neue Generation von Materialien unterstützen, die die Energieinfrastruktur in den Vereinigten Staaten und darüber hinaus grundlegend verändern könnten.

„Stellen Sie sich vor, Energie in Nevada zu nutzen und ohne Energieverlust durch das Land zu schicken“, sagte er. „Diese Technologie könnte das eines Tages möglich machen.“

Referenz: „Kohlenstoffgehalt erhöht die Hochtemperatur-Supraleitung in Kohlenstoff-Schwefel-Hydrid unter 100 GPa“ von J. Alexander Smith, Innes E. Collings, Elliot Snyder, Dean Smith, Sylvain Pettigerard und Jesse S. Ellison, Keith F. Lawler, Ranja B. Dias und Ashkan Salamat, 7. Juli 2022, hier verfügbar. chemische Kommunikation.
DOI: 10.1039 / D2CC03170A

Smith, Hauptautor, ist ein ehemaliger UNLV-Forscher in Salamats Labor und derzeit PhD-Student in Chemie und Forschung bei NEXCL. Weitere Studienautoren sind Salamat, Dean Smith, Paul Ellison, Melanie White und Keith Lawler von UNLV; Ranga Dias, Elliot Snyder und Elise Jones von der University of Rochester; Ines E. Collings von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Sylvain Pettigerard von der ETH Zürich; und Jesse S. Smith vom Argonne National Laboratory.

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