NATRIUM DAN HIDROGEN, SUPERKONDUKTOR DI ATAS KERTAS

Superkonduktor menghantarkan arus listrik tanpa hambatan sama sekali, di bawah suhu kritis, Tc. Untuk bahan kaya hidrogen, angka rekornya spektakuler: H₃S dan LaH₁₀ menjadi superkonduktor di atas 200 kelvin. Namun itu hanya terjadi jika ditekan pada sekitar satu megabar, kira-kira sejuta kali tekanan atmosfer. Tantangannya adalah mendapatkan kinerja yang sama pada tekanan lebih rendah.

Hidrogen membantu karena ringan: atom-atomnya bergetar pada frekuensi sangat tinggi, dan getaran ini dapat mengikat elektron menjadi pasangan-pasangan yang membawa arus super. Pada banyak hidrida terbaik, hidrogen tidak lagi membentuk molekul H₂. Senyawa yang hidrogennya tetap berpasangan sejak lama dianggap kandidat yang buruk, karena ikatan kuat di dalam setiap pasangan menarik elektronnya keluar dari permainan.

Senyawa yang ditemukan lewat pencarian

Tianran Chen dari Universitas Tennessee dan Taner Yildirim dari NIST Center for Neutron Research sebelumnya telah menandai natrium heksahidrida, NaH6, dalam pencarian komputer terhadap lebih dari 100.000 struktur kaya hidrogen. Sebuah studi independen juga telah memprediksi Tc yang tinggi untuknya. Di sini mereka menelitinya secara mendalam — sepenuhnya lewat perhitungan:

algoritma evolusioner untuk menemukan susunan kristal paling menguntungkan pada setiap tekanan;
perhitungan mekanika kuantum tentang elektron, getaran atom, dan kopling di antara keduanya, yang memberikan Tc melalui rumus standar;
dinamika molekuler pada 300 kelvin, untuk memeriksa apakah struktur tetap utuh ketika atom-atomnya bergoyang.

Tidak ada sampel yang disintesis atau diukur.

Dua kristal, dua perilaku

Perhitungan menunjukkan lanskap yang ramai: pada 50 gigapascal, 15 struktur berbeda bersifat stabil, sebagian besar kerabat dekat dari dua bentuk utama. Pada keduanya, hidrogen berada dalam pasangan yang sedikit meregang.

Bentuk kubik diprediksi menjadi superkonduktor hingga 230 kelvin pada 50 gigapascal — sekitar −43 °C pada setengah megabar — dan masih 215 kelvin pada 200 gigapascal.
Bentuk rombohedral tetap stabil hingga 10 gigapascal, dengan Tc prediksi 34 kelvin. Jika ditekan, Tc naik cepat: 99 kelvin pada 50 gigapascal, 157 pada 90, sekitar 1,6 kelvin per gigapascal.

Ada catatan yang dijelaskan para penulis. Pada 50 gigapascal, bentuk kubik 230 kelvin bukanlah susunan yang paling stabil: energinya sedikit di atas energi yang dibutuhkan untuk terurai menjadi natrium hidrida yang lebih sederhana dan hidrogen. Bentuk ini baru stabil terhadap penguraian itu di atas 60 gigapascal, dan kedua bentuk bertukar posisi di sekitar 114 gigapascal. Dalam dinamika molekuler pada 300 kelvin, bentuk kubik tetap utuh — selama beberapa per triliun detik.

Hidrogen berpasangan yang justru membantu

Temuan paling tidak biasa adalah mekanismenya. Pasangan-pasangan itu tidak menghalangi superkonduktivitas. Setiap getaran yang berkopling kuat dengan elektron adalah getaran yang akan terlihat dalam spektroskopi Raman, teknik laboratorium yang umum; getaran lainnya hampir tidak berkopling sama sekali. Setelah memeriksa 102 hidrida lain pada 200 gigapascal, para penulis menemukan pola yang sama: getaran aktif-Raman rata-rata berkopling sekitar 40 kali lebih kuat dibanding yang lain.

Pada bentuk rombohedral, tekanan memiringkan pasangan hidrogen, dari 4 derajat pada 10 gigapascal menjadi 21 derajat pada 90. Saat miring, getaran-getaran kunci berkopling lebih kuat — selaras dengan naiknya Tc, sementara struktur elektroniknya nyaris tidak berubah. Sebuah model geometris sederhana cocok dengan tren ini, meski para penulis menegaskan bahwa ini adalah interpretasi, bukan bukti.

Dari layar ke laboratorium

Semua ini adalah prediksi. Suhu yang dihitung bergantung pada sebuah parameter yang standar tetapi dapat disesuaikan, dan 50 gigapascal masih setara sekitar setengah juta atmosfer. Jika terkonfirmasi, NaH6 akan menunjukkan bahwa orientasi pasangan hidrogen adalah tombol pengatur baru untuk merancang superkonduktor hidrida. Giliran berikutnya ada di tangan para eksperimentalis.