सोडियम आणि हायड्रोजन: कागदावरचा अतिवाहक

अतिवाहक (superconductor) एका क्रांतिक तापमानाखाली, Tc खाली, अजिबात रोधाशिवाय विद्युतप्रवाह वाहून नेतो. हायड्रोजन-समृद्ध पदार्थांसाठी विक्रमी आकडे थक्क करणारे आहेत: H₃S आणि LaH₁₀ हे 200 केल्व्हिनच्या वर अतिवाहक होतात. पण ते असे फक्त सुमारे एका मेगाबारवर, म्हणजे वातावरणीय दाबाच्या साधारण दहा लाख पट दाबाखाली दाबले असतानाच करतात. आव्हान म्हणजे कमी दाबावर तीच कामगिरी मिळवणे.

हायड्रोजन मदत करतो कारण तो हलका आहे: त्याचे अणू खूप उच्च वारंवारतेने कंप पावतात, आणि हे कंप इलेक्ट्रॉन्सना अतिप्रवाह वाहून नेणाऱ्या जोड्यांमध्ये बांधू शकतात. अनेक सर्वोत्तम हायड्राइड्समध्ये हायड्रोजन आता H₂ रेणू बनवत नाही. ज्या संयुगांमध्ये हायड्रोजन जोड्यांमध्येच राहतो, ते फार काळ कमकुवत उमेदवार मानले गेले आहेत, कारण प्रत्येक जोडीतील प्रबळ बंध तिचे इलेक्ट्रॉन्स खेळातून बाहेर ओढून घेतो.

शोधातून सापडलेले संयुग

टेनेसी विद्यापीठाचे तियानरान चेन आणि NIST सेंटर फॉर न्यूट्रॉन रिसर्चचे तानेर यिल्दिरिम यांनी 1,00,000 हून अधिक हायड्रोजन-समृद्ध रचनांच्या संगणकीय शोधात सोडियम हेक्झाहायड्राइड, NaH6, आधीच हेरले होते. एका स्वतंत्र अभ्यासानेही त्याच्यासाठी उच्च Tc चे भाकीत केले होते. इथे त्यांनी त्याचा सखोल अभ्यास केला — पूर्णपणे गणनेद्वारे:

• प्रत्येक दाबावर सर्वात अनुकूल स्फटिक-रचना शोधण्यासाठी एक उत्क्रांतीवादी अल्गोरिदम;
• इलेक्ट्रॉन्स, अणूंचे कंप आणि त्यांचे युग्मन यांची पुंजयांत्रिक गणना, जी एका प्रमाणित सूत्राद्वारे Tc देते;
• अणू हलत असतानाही रचना टिकून राहतात का हे तपासण्यासाठी 300 केल्व्हिनवर रेणवीय गतिकी (molecular dynamics).

कोणताही नमुना संश्लेषित केला नाही किंवा मोजला नाही.

दोन स्फटिक, दोन वर्तने

गणनांमधून एक गर्दीचे चित्र उलगडते: 50 गिगापास्कलवर 15 वेगवेगळ्या रचना स्थिर आहेत, त्यातल्या बहुतेक दोन मुख्य रूपांच्या जवळच्या भावंडांसारख्या आहेत. दोन्ही रूपांमध्ये हायड्रोजन किंचित ताणलेल्या जोड्यांमध्ये असतो.

• घनाकार रूप 50 गिगापास्कलवर 230 केल्व्हिनपर्यंत अतिवाहक राहील असे भाकीत आहे — अर्ध्या मेगाबारवर सुमारे −43 °C — आणि 200 गिगापास्कलवरही 215 केल्व्हिन.
• समभुज-षट्फलकीय (rhombohedral) रूप 10 गिगापास्कलपर्यंत स्थिर राहते, जिथे त्याचा भाकीत Tc 34 केल्व्हिन आहे. दाबले की Tc वेगाने चढतो: 50 गिगापास्कलवर 99 केल्व्हिन, 90 वर 157, म्हणजे प्रति गिगापास्कल सुमारे 1.6 केल्व्हिन.

लेखक स्पष्टपणे सांगतात अशी एक अडचण आहे. 50 गिगापास्कलवर 230 केल्व्हिनचे घनाकार रूप सर्वात स्थिर रचना नाही: साध्या सोडियम हायड्राइड आणि हायड्रोजनमध्ये विघटन होण्यासाठी लागणाऱ्या ऊर्जेच्या ते किंचित वर आहे. त्या विघटनाविरुद्ध ते फक्त 60 गिगापास्कलच्या वर स्थिर होते, आणि सुमारे 114 गिगापास्कलजवळ दोन्ही रूपांची जागा अदलाबदल होते. 300 केल्व्हिनवरील रेणवीय गतिकीत घनाकार रूप अखंड राहते — एका सेकंदाच्या काही लाख-कोटीव्या भागापुरते.

मदत करणारा जोडीतील हायड्रोजन

सर्वात असामान्य निष्कर्ष म्हणजे यंत्रणा. जोड्या अतिवाहकतेला अडथळा करत नाहीत. इलेक्ट्रॉन्सशी प्रबळपणे जुळणारा प्रत्येक कंप असा आहे, जो रामन वर्णपटमापनात (Raman spectroscopy) — प्रयोगशाळेतील एका सामान्य तंत्रात — दिसून येईल; बाकीचे कंप जवळजवळ जुळतच नाहीत. 200 गिगापास्कलवर इतर 102 हायड्राइड्स तपासल्यावर लेखकांना तोच आकृतिबंध आढळला: रामन-सक्रिय कंप बाकीच्यांपेक्षा सरासरी सुमारे 40 पट अधिक प्रबळपणे जुळतात.

समभुज-षट्फलकीय रूपात दाबामुळे हायड्रोजन जोड्या कलतात, 10 गिगापास्कलवर 4 अंशांपासून 90 वर 21 अंशांपर्यंत. त्या कलतात तसे कळीचे कंप अधिक प्रबळपणे जुळतात — वाढत्या Tc च्या बरोबरीने, तर इलेक्ट्रॉनीय रचना जवळजवळ बदलत नाही. एक साधे भौमितिक प्रतिमान हा कल व्यवस्थित बसवते, मात्र हा एक अर्थ लावणे आहे, पुरावा नव्हे, यावर लेखक भर देतात.

पडद्यावरून प्रयोगशाळेकडे

ही भाकिते आहेत. गणित केलेली तापमाने एका प्रमाणित पण समायोज्य घटकावर अवलंबून आहेत, आणि 50 गिगापास्कल म्हणजे अजूनही सुमारे पाच लाख वातावरणे. याची पुष्टी झाली तर NaH6 हे दाखवून देईल की हायड्रोजन जोड्यांची दिशा हायड्राइड अतिवाहकांची रचना करण्यासाठी एक नवा नियंत्रक आहे. पुढचा शब्द प्रयोगकर्त्यांचा आहे.