সোডিয়াম আর হাইড্রোজেন, কাগজে-কলমে একটি অতিপরিবাহী

একটি অতিপরিবাহী (superconductor) একটি সংকট তাপমাত্রা, Tc-এর নিচে কোনো রোধ ছাড়াই বিদ্যুৎপ্রবাহ বয়ে নেয়। হাইড্রোজেন-সমৃদ্ধ পদার্থের ক্ষেত্রে রেকর্ড সংখ্যাগুলো চমকপ্রদ: H₃S আর LaH₁₀ ২০০ কেলভিনের ওপরে অতিপরিবাহী হয়। কিন্তু তারা এটা করে কেবল প্রায় এক মেগাবার চাপে চেপে রাখলে, মোটামুটি বায়ুমণ্ডলীয় চাপের দশ লাখ গুণ। চ্যালেঞ্জ হলো কম চাপে একই কর্মক্ষমতা পাওয়া।

হাইড্রোজেন সাহায্য করে কারণ এটি হালকা: এর পরমাণু খুব উঁচু কম্পাঙ্কে কাঁপে, আর এই কম্পন ইলেকট্রনদের সেই জোড়ায় বাঁধতে পারে যারা অতিপরিবাহী প্রবাহ বয়ে নেয়। অনেক সেরা হাইড্রাইডে হাইড্রোজেন আর H₂ অণু গঠন করে না। যে যৌগে হাইড্রোজেন জোড়ায় থাকে, সেগুলোকে দীর্ঘদিন দুর্বল প্রার্থী ধরা হয়েছে, কারণ প্রতিটি জোড়ার ভেতরের শক্তিশালী বন্ধন তার ইলেকট্রনদের খেলার বাইরে টেনে নেয়।

খুঁজতে গিয়ে পাওয়া একটি যৌগ

টেনেসি বিশ্ববিদ্যালয়ের তিয়ানরান চেন (Tianran Chen) আর NIST সেন্টার ফর নিউট্রন রিসার্চের তানের ইলদিরিম (Taner Yildirim) ১,০০,০০০-এরও বেশি হাইড্রোজেন-সমৃদ্ধ কাঠামোর একটি কম্পিউটার অনুসন্ধানে সোডিয়াম হেক্সাহাইড্রাইড, NaH6, আগেই চিহ্নিত করেছিলেন। একটি স্বাধীন গবেষণাও এর জন্য উঁচু Tc-এর পূর্বাভাস দিয়েছিল। এখানে তাঁরা এটি গভীরভাবে পরীক্ষা করেছেন — সম্পূর্ণ হিসাবের মাধ্যমে:

প্রতিটি চাপে সবচেয়ে অনুকূল কেলাস-বিন্যাস খুঁজতে একটি বিবর্তনমূলক অ্যালগরিদম;
ইলেকট্রন, পারমাণবিক কম্পন আর তাদের সংযোগের কোয়ান্টাম-বলবিদ্যাগত হিসাব, যা একটি প্রমিত সূত্রের মাধ্যমে Tc দেয়;
৩০০ কেলভিনে আণবিক গতিবিদ্যা (molecular dynamics), পরমাণুগুলো নড়াচড়া করলে কাঠামো টিকে থাকে কি না তা যাচাই করতে।

কোনো নমুনা সংশ্লেষণ বা পরিমাপ করা হয়নি।

দুটি কেলাস, দুটি আচরণ

হিসাব একটি ভিড়ে ঠাসা চিত্র তুলে ধরে: ৫০ গিগাপ্যাসকেলে ১৫টি ভিন্ন কাঠামো স্থিতিশীল, যাদের বেশির ভাগ দুটি প্রধান রূপের ঘনিষ্ঠ আত্মীয়। দুটিতেই হাইড্রোজেন থাকে সামান্য টানা জোড়ায়।

ঘনক রূপটি ৫০ গিগাপ্যাসকেলে ২৩০ কেলভিন পর্যন্ত অতিপরিবাহী থাকবে বলে পূর্বাভাস — আধা মেগাবারে প্রায় −৪৩ °C — আর ২০০ গিগাপ্যাসকেলেও ২১৫ কেলভিন।
রম্বোহেড্রাল রূপটি ১০ গিগাপ্যাসকেল পর্যন্ত নেমেও স্থিতিশীল থাকে, যেখানে এর পূর্বাভাসিত Tc ৩৪ কেলভিন। চাপ দিলে Tc দ্রুত ওঠে: ৫০ গিগাপ্যাসকেলে ৯৯ কেলভিন, ৯০-এ ১৫৭, প্রতি গিগাপ্যাসকেলে প্রায় ১.৬ কেলভিন।

একটি সমস্যা আছে, যা লেখকেরা স্পষ্ট করে বলেন। ৫০ গিগাপ্যাসকেলে ঘনক ২৩০-কেলভিন রূপটি সবচেয়ে স্থিতিশীল বিন্যাস নয়: সরলতর সোডিয়াম হাইড্রাইড আর হাইড্রোজেনে ভেঙে যেতে যে শক্তি লাগে, এটি তার সামান্য ওপরে থাকে। কেবল ৬০ গিগাপ্যাসকেলের ওপরে এটি সেই ভাঙনের বিরুদ্ধে স্থিতিশীল হয়, আর দুটি রূপ প্রায় ১১৪ গিগাপ্যাসকেলের কাছে জায়গা বদলায়। ৩০০ কেলভিনে আণবিক গতিবিদ্যায় ঘনক রূপটি অটুট থাকে — এক সেকেন্ডের কয়েক লক্ষ কোটি ভাগের এক ভাগ সময় ধরে।

জোড়ায় বাঁধা হাইড্রোজেন যা সাহায্য করে

সবচেয়ে অস্বাভাবিক আবিষ্কার হলো কার্যপ্রণালী। জোড়াগুলো অতিপরিবাহিতা আটকায় না। ইলেকট্রনের সঙ্গে জোরালোভাবে যুক্ত প্রতিটি কম্পনই এমন কম্পন, যা রামান বর্ণালিবীক্ষণে দেখা যাবে, একটি প্রচলিত গবেষণাগার-কৌশল; বাকিগুলো প্রায় যুক্তই হয় না। ২০০ গিগাপ্যাসকেলে আরও ১০২টি হাইড্রাইড পরীক্ষা করে লেখকেরা একই ধরন পেয়েছেন: রামান-সক্রিয় কম্পন গড়ে বাকিগুলোর চেয়ে প্রায় ৪০ গুণ বেশি জোরালোভাবে যুক্ত হয়।

রম্বোহেড্রাল রূপে চাপ হাইড্রোজেন জোড়াগুলোকে কাত করে, ১০ গিগাপ্যাসকেলে ৪ ডিগ্রি থেকে ৯০-এ ২১ ডিগ্রি পর্যন্ত। কাত হওয়ার সঙ্গে মূল কম্পনগুলো আরও জোরালোভাবে যুক্ত হয় — বাড়তে থাকা Tc-এর সঙ্গে তাল মিলিয়ে, অথচ ইলেকট্রনীয় কাঠামো প্রায় বদলায় না। একটি সরল জ্যামিতিক মডেল এই প্রবণতার সঙ্গে মেলে, যদিও লেখকেরা জোর দেন যে এটি একটি ব্যাখ্যা, প্রমাণ নয়।

পর্দা থেকে গবেষণাগারে

এগুলো পূর্বাভাস। হিসাব করা তাপমাত্রা একটি প্রমিত কিন্তু সমন্বয়যোগ্য প্যারামিটারের ওপর নির্ভর করে, আর ৫০ গিগাপ্যাসকেল এখনো প্রায় পাঁচ লাখ বায়ুমণ্ডলীয় চাপ। নিশ্চিত হলে NaH6 দেখাবে যে হাইড্রোজেন জোড়ার অভিমুখ হাইড্রাইড অতিপরিবাহী নকশার একটি নতুন নিয়ন্ত্রক। পরের কথাটি বলবেন পরীক্ষকেরা।