탄탈룸 폴리하이드라이드는 신흥 고급 등급에 합류합니다.

Jul 31, 2023

탄탈륨 폴리하이드라이드는 30K의 온도와 약 200기가파스칼(GPa)의 압력에서 초전도체가 된다고 베이징에 있는 중국과학원의 연구원들이 말했습니다. 이는 5족 전이 금속으로 만들어진 수소화물에서 초전도성이 관찰된 최초의 사례이며, 연구팀은 이 발견이 금속 수소를 합성하는 길을 열 수 있다고 말합니다.

초전도체는 초전도 전이 온도(Tc) 이하로 냉각될 때 전기 저항 없이 전류를 전달하는 물질입니다. 이는 MRI 스캐너 및 입자 가속기의 고자장 자석부터 양자 컴퓨터의 양자 비트에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 그러나 대부분의 초전도체의 Tc는 절대 영도보다 몇 도 정도 높으며, 소위 고온 초전도체라도 저항 없이 전기를 전도할 수 있으려면 150K 미만으로 냉각되어야 합니다. 따라서 연구자들은 더 높은 온도, 이상적으로는 실온에서 초전도성을 유지하는 재료를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

이론적으로 극도로 높은 압력에서 발생할 것으로 예상되는 수소의 금속 상태는 상온에서 초전도체가 되어야 합니다. 불행하게도 순수한 수소를 금속으로 만드는 것은 매우 어렵습니다. 대안으로 과학자들은 수소와 금속으로 구성된 화합물인 수소화물을 조사하기 시작했습니다.

지난 몇 년 동안 황수소화물과 다가수소화물은 모두 200K 이상의 온도에서 초전도하는 것으로 밝혀졌습니다. 비록 해수면 대기압보다 백만 배 이상 높은 압력에서만 가능합니다. 이 클래스의 다른 초전도 물질에는 LaH10 및 YH9와 같은 희토류 수소화물과 CaH6과 같은 알칼리토류 수소화물이 포함됩니다. 지르코늄, 루테튬 및 주석을 함유한 수소화물도 마찬가지로 적당히 높은 Tc를 갖는 것으로 밝혀졌습니다.

대부분의 3d 전이 금속은 초전도성에 반대되는 자기 변동을 나타내는 경향이 있는 국소 전자 스핀을 가지고 있습니다. 이러한 이유로 연구자들은 Hf 및 Ta와 같은 5d 전이 금속에 관심을 돌렸습니다. 실제로 하프늄 폴리하이드라이드는 약 83K에서 초전도체가 됩니다.

Changqing Jin이 이끄는 연구팀은 이제 추가 초전도 수소화물인 탄탈륨 폴리하이드라이드(TaH3)를 합성했습니다. 그들은 다이아몬드 모루 셀에 물질을 배치하여 실험을 수행했으며 200GPa의 압력에서 약 30K에서 초전도성을 관찰했습니다. 이는 5족 금속으로 만들어진 최초의 초전도 수소화물이 된다고 Jin은 말했습니다. 및 동료들은 현장 전기 전도도와 고압에서의 X선 회절 측정을 사용하여 초전도 단계를 조사했습니다.

수소화루테튬에서 '주변에 가까운' 초전도성에 대한 증거 발견

진은 탄탈륨이 격자간 원소에 대한 내성이 높고 격자에 3개 이상의 수소 원자를 수용할 수 있다고 설명합니다. 그러나 이러한 원자는 전자가 물질의 서로 다른 위치 사이를 직접 이동하여 소실되지 않는 전류를 생성하기에는 서로 너무 멀리 떨어져 있습니다. "따라서 우리는 우리가 관찰한 초전도성이 Ta와 H의 궤도 사이의 혼성화와 관련이 있다고 제안합니다"라고 그는 Physics World에 말했습니다. 이는 전자가 매우 조밀한 케이지를 형성하는 인접한 H 원자 사이를 직접 호핑할 수 있는 수소화칼슘이나 희토류 다수소화물 초전도체에서 예상되는 것과는 완전히 다릅니다.”

TaH3의 초전도성 관찰은 H와 다른 원소 사이의 공유 결합을 금속화하여 금속 수소가 실현될 수 있음을 의미합니다. Chinese Physics Letters에 자신의 연구 결과를 보고한 연구원들은 이제 이러한 공유 결합을 포함하는 다른 폴리하이드라이드 초전도체를 탐색할 계획이라고 말했습니다.