מוליך על המתפקד בטמפרטורת החדר – מערכה שניה

מדענים שפרסמו ב-2020 מאמר בנייצ’ר שבו מתארים מוליך על שפועל בטמפרטורת החדר טוענים כי ערכו ניסויים נוספים והשתמשו בנתונים נוספים מהניסוי המקורי וכעת הם מגישים אותו מחדש

[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]

חברות מחשבים תוכלנה, בעתיד הקרוב, ליצור שבבי מחשבים קוונטיים ממוליכי על המתפקדים בטמפרטורת החדר, זאת תודות לחומר חדשני שפיתחו חוקרים מאוניברסיטת רוצ’סטר (University of Rochester).

החומר החדש הוא מוליך על המתפקד בטמפרטורה של 21 מעלות צלזיוס ובלחץ אטמוספירי של פחות מאחוז אחד מהלחץ הרגיל המשמש במוליכי על קיימים המתפקדים בטמפרטורה גבוהה. החוקרים היו מופתעים בעיקר מהלחץ האטמוספירי הנמוך כל כך שנדרש.

החוקרים מאוניברסיטת רוצ’סטר, ביחד עם חוקרים מאוניברסיטת נאבדה, מסבירים כי ההתנגדות החשמלית בתוככי החומר החדשני שלהם, המורכב מלוטטיום הידריד מאולח-חנקן, מגיעה לאפס בטמפרטורת החדר. הייצור של חומרים בעלי התנגדות חשמלית אפסית בטמפרטורת החדר מהווה את “הגביע הקדוש” בתחום הכימיה ויוכל ביום מן הימים לתרום למאבק בשינויי האקלים על ידי הפחתת חמשת האחוזים של אובדן ייצור חשמל בצורת חום בזמן העברתו של החשמל ברשת הארצית. יחד עם זאת, החוקרים עדיין לא הצליחו לאמת באופן מוחלט את המבנה של החומר החדשני. לאור העובדה כי אטומי מימן הם כה זעירים, לא פשוט לאפיין אותם בעזרת השתברות בקרני רנטגן לשם קבלת ההרכב והמבנה המדויק של החומר.

מספר צוותי מחקר מתמקדים כיום בפיתוח של מוליכי על בטמפרטורת החדר בתוכי חומרים עתירי מימן בלחצים אטמוספיריים גבוהים מאוד בין שני חודים של יהלומים. מערכת כזו מכונה בשם המדעי “תא-סדן יהלום” (diamond anvil cell, DAC) והיא מספקת לחצים גבוהים מאוד פשוט על ידי הברגה של מספר ברגים. בעשור שהחל בשנת 2010 ניסויים בלחצים גבוהים אלו אפשרו לחומרים שונים, לרבות מימן גופרי (Hydrogen sulfide) וכן לנתן הידריד (lanthanum hydride) להפוך למוליכי על קרוב לטמפרטורת החדר. יחד עם זאת, החוקר הראשי מסביר כי גודל הדגימות הגדולות ביותר הניתנות להתמקם בין החודים של היהלומים הוא בקירוב בקוטר של 250 מיקרונים, גודל שהוא רחוק מאוד מזה שיוכל לאפשר ייצור של כבלי חשמל מבוססי מוליכי על. בשנת 2020, החוקר הראשי ועמיתיו הצליחו לייצר חומר המורכב מפחמן-מימן-גופרית שלטענתם התנהג בתור מוליך על בטמפרטורה של חמש עשרה מעלות צלזיוס. אילוח (doping) של אטומי פחמן סייע בחיזוק וחישול החומר, מה שמנע ממנו להתפרק בטמפרטורות גבוהות יותר וסייע לכל שני אלקטרונים להסתדר בצמדים, דרישת מפתח עבור קיום על-מוליכות. אולם, תכונה זו מתקבלת רק בלחץ אטמוספירי הגדול פי 1.55 מיליונים מהלחץ של כדור הארץ. ממצא זה נבדק בפרטי פרטים לאור אי-סדרים שנחשפו בהליך הניתוח של הנתונים על ידי החוקרים ונמצא בסופו של דבר כשגוי. המדענים מגישים מחדש את הנתונים לאחר עיבוד של נתונים גולמיים שלא נבדקו עד כה.

בזמן פרסומו של המאמר, החוקרים נטלו השראה ממערכות מוליכי על מוצלחות המכילות אטומים בעלי גרעינים זעירים כגון לַנְתָּן (lanthanum) וכן אִיטְרְיוּם (yttrium). החוקרים רצו לבחון יסודות אחרים מקרב קבוצת הלנתנידים [קבוצה של 15 מתכות מעבר, עם מספרים אטומיים של 57–71, מלנתן ועד לוטטיום], אולם הם הגיעו למסקנה כי המבנים האלקטרוניים שלהם עשויים להפריע לתכונות העל-מוליכות. במיוחד, הם רצו להימנע מקליפת אלקטרונים מלאה למחצה מסוג4f , כך שהם בחרו ביסוד לוּטֶטְיוּם (lutetium) המכיל קליפת אלקטרונים מלאה. על מנת לחקות את הביצועים המוצלחים של החומר מימן גופרי שהחוקרים אילחו באטומי פחמן, הם בדקו אילוח על ידי אטומי חנקן תורמי אלקטרונים.

החוקרים הכינו לראשונה את החומר החדשני בתא-סדן יהלום. הם הניחו רדיד לוטטיום בקוטר של 100 מיקרונים בין שני חודי היהלום ואז הקיפו אותו בתערובת של מימן:חנקן ביחס של 99:1. הם כיוונו את הלחץ ל-2 ג’יגה-פסקל וחיממו את התא בתנור לטמפרטורה של שישים וחמש מעלות צלזיוס למשך הלילה, תוך קבלת חומר בצבע כחול בתנאים רגילים. ככל שהם העלו את הלחץ, החומר הפך את צבעו לוורוד כאשר הוא הגיע לרמה של 0.3 ג’יגה-פסקל, אז הוא גם הפך למוליך על. כאשר הלחץ הגיע לרמה של 1 ג’יגה-פסקל החומר הפך לאדום, והטמפרטורה הקריטית (T_c) שמתחתיה הוא הפך למוליך על הגיעה לעשרים ואחת מעלות צלזיוס.    

החומר לוטטיום הידריד מאולח-חנקן מתחיל בצבע כחול, הופך לוורוד ככל שהלחץ מתגבר עד לנקודה שבה הוא הופך למוליך על, ואז הופך לצבע אדום ככל שהלחץ מתגבר עוד. 

[באדיבות:Nathan Dasenbrock-Gammon et al/Springer Nature Limited 2022]

1 ג’יגה-פסקל נמצא בתחום הלחצים שחוקרים משתמשים בו לייצור שבבים תוך שימוש בתהליך של “הנדסת מאמץ” על מנת לכוונן את התכונות של חומרים דו-מימדיים כדוגמת גרפן, מסביר החוקר הראשי. “כעת אנו נמצאים באזור שבו אנו יכולים הלכה למעשה לעשות שימוש בשיטות רגילות זמינות מסחרית” הוא מוסיף ואומר. הגם ששבבים כאלו עדיין לא מסוגלים להמיר חשמל, הם כן ניתנים לשימוש בתחום של מחשוב קוונטי. בביטים קוונטים מוליכי על, או קיוביטים (qubits), היעדר התנגדות חשמלית משמעותה כי הם אינם מאבדים מידע לסביבה האופפת אותם בצורת חום. בנוסף, האלקטרונים המוכלים בתוככי מוליכי על נמצאים במספר מוגבל של מצבים קוונטיים שבהם יכולים לשלוט מחשבים קוונטיים וניתנים למדידה פשוטה יותר. סוגים שונים של תאי סדן יכולים גם הם להגיע לתחום של 1 ג’יגה-פסקל תוך שהם מתמודדים בהצלחה עם דגימות מעט יותר גדולות.            

החוקרת Eva Zurek מאוניברסיטת בופאלו בארה”ב נלהבת במידה מוגבלת. “אם ממצאי המחקר יתאמתו, עבודה זו תהיה מרגשת במיוחד ותסלול נתיב ל”גביע הקדוש” של מוליכות על בלחצים מתונים ובטמפרטורות נמוכות”, היא אומרת. “יחד עם זאת, יהיה צורך לשכפל את תוצאות הניסוי ולאמת אותן. יתרה מכך, עדיין נותרו מספר שאלות שהחוקרים יצטרכו להשיב עליהן, לרבות אפיון מדויק יותר של מבנהו של החומר המוליך על. החוקר הראשי של המחקר הנוכחי, בינתיים, מציין כי צוות המחקר שלו הצליח לשכפל את הממצאים של המאמר משנת 2020 בפני מדענים מהמעבדה הלאומית ארגון (Argonne National Laboratory) באילינוי ארה”ב. הצוות ערך גם מדידות נוספות על מנת להדגים כיצד החומר החדשני פועל בפני קהל חי של מדענים מהמעבדה הלאומית ברוקהייבן (Brookhaven National Laboratory). “קיבצנו את כל הנתונים החדשים הללו יחד עם הנתונים הקודמים, כתבנו את המאמר העדכני, והגשנו אותו שוב לכתב העת המדעי היוקרתי Nature , והוא נמצא כעת בבדיקה מקצועית”, אומר החוקר הראשי.    

תקציר המאמר

סרטון המתאר את ממצאי המחקר

הידיעה אודות המחקר

המבנה הגבישי של החומר המוצע לוטטיום הידריד מאולח-חנקן. המימנים הנמצאים במיקומים האוקטהדרליים נראים בצבע לבן ואלו במיקומים הטטרהדרליים בצבע ורוד.  אטומי לוטטיום נראים בצבע ירוק.  [מקור: Dasenbrock-Gammon, N. et al, Nature 2023]