سدیم و هیدروژن، ابررسانایی روی کاغذ
یک ابررسانا زیر یک دمای بحرانی، Tc، جریان الکتریکی را بی هیچ مقاومتی منتقل می‌کند. در مواد غنی از هیدروژن، رکوردها خیره‌کننده‌اند: H₃S و LaH₁₀ بالای 200 کلوین ابررسانا هستند. اما فقط وقتی تا حدود یک مگابار، یعنی تقریباً یک میلیون برابر فشار جو، فشرده شوند. چالش این است که همین کارایی در فشار کمتر به دست آید.
هیدروژن کمک می‌کند چون سبک است: اتم‌هایش با بسامدهای بسیار بالا ارتعاش می‌کنند و این ارتعاش‌ها می‌توانند الکترون‌ها را در جفت‌هایی که ابرجریان را حمل می‌کنند به هم پیوند دهند. در بسیاری از بهترین هیدریدها، هیدروژن دیگر مولکول H₂ نمی‌سازد. ترکیب‌هایی که در آن‌ها هیدروژن جفت‌جفت می‌ماند مدت‌ها نامزدهای ضعیفی شمرده می‌شدند، چون پیوند قوی درون هر جفت الکترون‌هایش را از بازی بیرون می‌کشد.
ترکیبی که با جست‌وجو یافت شد
تیانران چن از دانشگاه تنسی و تانر ییلدیریم از مرکز پژوهش نوترون NIST پیش‌تر در جست‌وجویی رایانه‌ای میان بیش از 100,000 ساختار غنی از هیدروژن، سدیم هگزاهیدرید، NaH6، را برجسته کرده بودند. پژوهشی مستقل هم Tc بالایی برای آن پیش‌بینی کرده بود. این بار آن را به‌طور عمیق و تماماً با محاسبه بررسی کردند:
- یک الگوریتم تکاملی برای یافتن مطلوب‌ترین آرایش‌های بلوری در هر فشار؛
- محاسبات مکانیک کوانتومی الکترون‌ها، ارتعاش‌های اتمی و جفت‌شدگی آن‌ها، که از راه یک فرمول استاندارد Tc را به دست می‌دهد؛
- دینامیک مولکولی در 300 کلوین، برای بررسی اینکه ساختارها هنگام لرزش اتم‌ها از هم نمی‌پاشند.
هیچ نمونه‌ای سنتز یا اندازه‌گیری نشد.
دو بلور، دو رفتار
محاسبات چشم‌اندازی شلوغ را نشان می‌دهند: در 50 گیگاپاسکال، 15 ساختار مختلف پایدارند که بیشترشان خویشاوندان نزدیک دو شکل اصلی‌اند. در هر دو، هیدروژن به صورت جفت‌هایی اندکی کشیده قرار دارد.
- پیش‌بینی می‌شود شکل مکعبی تا 230 کلوین در 50 گیگاپاسکال ابررسانا باشد، یعنی حدود −43 درجه سلسیوس در نیم مگابار، و در 200 گیگاپاسکال همچنان 215 کلوین.
- شکل رومبوئدری تا 10 گیگاپاسکال پایدار می‌ماند که در آنجا Tc پیش‌بینی‌شده‌اش 34 کلوین است. با فشردن آن، Tc به‌سرعت بالا می‌رود: 99 کلوین در 50 گیگاپاسکال، 157 در 90، یعنی حدود 1.6 کلوین به ازای هر گیگاپاسکال.
نویسندگان به گرهی صریحاً اشاره می‌کنند. در 50 گیگاپاسکال، شکل مکعبی 230 کلوینی پایدارترین آرایش نیست: اندکی بالاتر از انرژی لازم برای تجزیه به سدیم هیدرید ساده‌تر و هیدروژن قرار دارد. تنها بالای 60 گیگاپاسکال در برابر این تجزیه پایدار می‌شود و دو شکل در نزدیکی 114 گیگاپاسکال جای خود را با هم عوض می‌کنند. در دینامیک مولکولی در 300 کلوین، شکل مکعبی سالم می‌ماند، آن هم در بازه‌ای چند تریلیونیم ثانیه‌ای.
هیدروژن جفت‌شده‌ای که کمک می‌کند
غیرعادی‌ترین یافته سازوکار است. جفت‌ها جلوی ابررسانایی را نمی‌گیرند. هر ارتعاشی که به‌شدت با الکترون‌ها جفت می‌شود، همان است که در طیف‌سنجی رامان، یک روش رایج آزمایشگاهی، دیده می‌شود؛ بقیه تقریباً هیچ جفت نمی‌شوند. نویسندگان با بررسی 102 هیدرید دیگر در 200 گیگاپاسکال همین الگو را یافتند: ارتعاش‌های فعال در رامان به‌طور میانگین حدود 40 برابر قوی‌تر از بقیه جفت می‌شوند.
در شکل رومبوئدری، فشار جفت‌های هیدروژن را کج می‌کند، از 4 درجه در 10 گیگاپاسکال تا 21 درجه در 90. با کج شدن آن‌ها، ارتعاش‌های کلیدی قوی‌تر جفت می‌شوند، هم‌گام با بالا رفتن Tc، در حالی که ساختار الکترونی تقریباً تغییری نمی‌کند. یک مدل هندسی ساده با این روند جور درمی‌آید، هرچند نویسندگان تأکید می‌کنند که این یک تفسیر است، نه اثبات.
از صفحه نمایش تا آزمایشگاه
این‌ها پیش‌بینی‌اند. دماهای محاسبه‌شده به پارامتری استاندارد اما قابل تنظیم بستگی دارند و 50 گیگاپاسکال هنوز حدود نیم میلیون اتمسفر است. اگر تأیید شود، NaH6 نشان خواهد داد که جهت‌گیری جفت‌های هیدروژن پیچ تنظیم تازه‌ای برای طراحی ابررساناهای هیدریدی است. حرف بعدی با آزمایشگران است.