सोडियम और हाइड्रोजन, काग़ज़ पर एक अतिचालक

एक अतिचालक (superconductor) एक क्रांतिक तापमान, Tc, से नीचे बिना किसी भी प्रतिरोध के बिजली का करंट ले जाता है। हाइड्रोजन-समृद्ध पदार्थों के लिए रिकॉर्ड आँकड़े शानदार हैं: H₃S और LaH₁₀ 200 केल्विन से ऊपर अतिचालक होते हैं। लेकिन वे ऐसा सिर्फ़ लगभग एक मेगाबार पर दबाए जाने पर करते हैं, यानी वायुमंडलीय दाब का लगभग दस लाख गुना। चुनौती है कम दाब पर वही प्रदर्शन हासिल करना।

हाइड्रोजन इसलिए मदद करता है क्योंकि वह हल्का है: उसके परमाणु बहुत ऊँची आवृत्तियों पर कंपन करते हैं, और ये कंपन इलेक्ट्रॉनों को उन जोड़ों में बाँध सकते हैं जो अतिचालक करंट ले जाते हैं। कई सबसे अच्छे हाइड्राइडों में हाइड्रोजन अब H₂ अणु नहीं बनाता। जिन यौगिकों में हाइड्रोजन जोड़ों में बना रहता है, उन्हें लंबे समय से कमज़ोर उम्मीदवार माना जाता रहा है, क्योंकि हर जोड़े के भीतर का मज़बूत बंध उसके इलेक्ट्रॉनों को खेल से बाहर खींच लेता है।

खोज से मिला एक यौगिक

टेनेसी विश्वविद्यालय के तियानरान चेन (Tianran Chen) और NIST सेंटर फ़ॉर न्यूट्रॉन रिसर्च के तानेर यिल्दिरिम (Taner Yildirim) ने 1,00,000 से ज़्यादा हाइड्रोजन-समृद्ध संरचनाओं की एक कंप्यूटर खोज में सोडियम हेक्साहाइड्राइड, NaH6, को पहले ही चिह्नित कर लिया था। एक स्वतंत्र अध्ययन ने भी इसके लिए ऊँचे Tc का अनुमान लगाया था। यहाँ उन्होंने इसकी गहराई से जाँच की — पूरी तरह गणना से:

हर दाब पर सबसे अनुकूल क्रिस्टल व्यवस्था खोजने के लिए एक विकासवादी एल्गोरिदम;
इलेक्ट्रॉनों, परमाणु कंपनों और उनके युग्मन की क्वांटम-यांत्रिक गणनाएँ, जो एक मानक सूत्र के ज़रिए Tc देती हैं;
300 केल्विन पर आणविक गतिकी (molecular dynamics), यह जाँचने के लिए कि परमाणुओं के हिलने-डुलने पर संरचनाएँ टिकी रहती हैं या नहीं।

कोई नमूना न संश्लेषित किया गया, न मापा गया।

दो क्रिस्टल, दो बर्ताव

गणनाएँ एक भीड़ भरा परिदृश्य दिखाती हैं: 50 गीगापास्कल पर 15 अलग-अलग संरचनाएँ स्थिर हैं, जिनमें से ज़्यादातर दो मुख्य रूपों के क़रीबी रिश्तेदार हैं। दोनों में हाइड्रोजन थोड़े खिंचे हुए जोड़ों में रहता है।

घनीय रूप के बारे में अनुमान है कि वह 50 गीगापास्कल पर 230 केल्विन तक अतिचालक रहेगा — आधे मेगाबार पर लगभग −43 °C — और 200 गीगापास्कल पर भी 215 केल्विन।
समचतुष्फलकीय (rhombohedral) रूप 10 गीगापास्कल तक नीचे स्थिर रहता है, जहाँ उसका अनुमानित Tc 34 केल्विन है। उसे दबाइए तो Tc तेज़ी से चढ़ता है: 50 गीगापास्कल पर 99 केल्विन, 90 पर 157, लगभग 1.6 केल्विन प्रति गीगापास्कल।

एक पेच है जिसे लेखक साफ़-साफ़ बताते हैं। 50 गीगापास्कल पर घनीय 230-केल्विन रूप सबसे स्थिर व्यवस्था नहीं है: वह सरल सोडियम हाइड्राइड और हाइड्रोजन में टूटने के लिए ज़रूरी ऊर्जा से थोड़ा ऊपर बैठता है। वह इस विघटन के ख़िलाफ़ सिर्फ़ 60 गीगापास्कल से ऊपर स्थिर होता है, और दोनों रूप लगभग 114 गीगापास्कल के पास जगह बदलते हैं। 300 केल्विन पर आणविक गतिकी में घनीय रूप अक्षुण्ण रहता है — एक सेकंड के कुछ खरबवें हिस्सों तक।

जोड़े में बँधा हाइड्रोजन जो मदद करता है

सबसे असामान्य खोज इसकी क्रियाविधि है। जोड़े अतिचालकता को रोकते नहीं। हर वह कंपन जो इलेक्ट्रॉनों से मज़बूती से जुड़ता है, ऐसा कंपन है जो रामन स्पेक्ट्रोस्कोपी में दिखेगा, जो प्रयोगशाला की एक आम तकनीक है; बाक़ी कंपन लगभग जुड़ते ही नहीं। 200 गीगापास्कल पर 102 अन्य हाइड्राइडों की जाँच में लेखकों को यही पैटर्न मिला: रामन-सक्रिय कंपन औसतन बाक़ियों से लगभग 40 गुना ज़्यादा मज़बूती से जुड़ते हैं।

समचतुष्फलकीय रूप में दाब हाइड्रोजन जोड़ों को झुका देता है, 10 गीगापास्कल पर 4 डिग्री से 90 पर 21 डिग्री तक। जैसे-जैसे वे झुकते हैं, मुख्य कंपन ज़्यादा मज़बूती से जुड़ते हैं — बढ़ते Tc के साथ क़दम मिलाते हुए, जबकि इलेक्ट्रॉनिक संरचना लगभग नहीं बदलती। एक सरल ज्यामितीय मॉडल इस रुझान से मेल खाता है, हालाँकि लेखक ज़ोर देते हैं कि यह एक व्याख्या है, प्रमाण नहीं।

स्क्रीन से प्रयोगशाला तक

ये भविष्यवाणियाँ हैं। गणना किए गए तापमान एक मानक लेकिन समायोज्य पैरामीटर पर निर्भर करते हैं, और 50 गीगापास्कल अब भी लगभग पाँच लाख वायुमंडल है। अगर पुष्टि होती है, तो NaH6 दिखाएगा कि हाइड्रोजन जोड़ों का अभिविन्यास हाइड्राइड अतिचालक डिज़ाइन करने का एक नया घुंडी (dial) है। अगला शब्द प्रयोगकर्ताओं का है।