சோடியமும் ஹைட்ரஜனும்: காகிதத்தில் ஒரு மீக்கடத்தி

ஒரு மீக்கடத்தி (superconductor), Tc என்ற மாறுநிலை வெப்பநிலைக்குக் கீழே, மின்னோட்டத்தை எந்த மின்தடையுமின்றிக் கடத்துகிறது. ஹைட்ரஜன் நிறைந்த பொருள்களில் சாதனை எண்கள் பிரமிக்க வைக்கின்றன: H₃S, LaH₁₀ ஆகியவை 200 கெல்வினுக்கு மேல் மீக்கடத்துகின்றன. ஆனால் சுமார் ஒரு மெகாபார் — ஏறக்குறைய வளிமண்டல அழுத்தத்தின் ஒரு மில்லியன் மடங்கு — அழுத்தத்தில் நெருக்கப்படும்போது மட்டுமே. குறைந்த அழுத்தத்தில் அதே செயல்திறனைப் பெறுவதே சவால்.

ஹைட்ரஜன் இலேசானது என்பதால் உதவுகிறது: அதன் அணுக்கள் மிக அதிக அதிர்வெண்களில் அதிர்கின்றன; இந்த அதிர்வுகள் மீமின்னோட்டத்தைக் கடத்தும் இணைகளாக எலக்ட்ரான்களைப் பிணைக்க முடியும். சிறந்த ஹைட்ரைடுகள் பலவற்றில், ஹைட்ரஜன் இனி H₂ மூலக்கூறுகளை உருவாக்குவதில்லை. ஹைட்ரஜன் இணைகளாகவே இருக்கும் சேர்மங்கள் நீண்ட காலமாக மோசமான வேட்பாளர்களாகக் கருதப்பட்டன; ஏனெனில் ஒவ்வொரு இணைக்குள்ளும் உள்ள வலுவான பிணைப்பு அதன் எலக்ட்ரான்களை ஆட்டத்திலிருந்து விலக்கிவிடுகிறது.

தேடலில் கண்டுபிடிக்கப்பட்ட சேர்மம்

Tennessee பல்கலைக்கழகத்தின் Tianran Chen, NIST Center for Neutron Research-இன் Taner Yildirim ஆகியோர், 100,000-க்கும் மேற்பட்ட ஹைட்ரஜன் நிறைந்த கட்டமைப்புகளின் கணினித் தேடலில் சோடியம் ஹெக்ஸாஹைட்ரைடு, NaH6-ஐ ஏற்கெனவே சுட்டிக்காட்டியிருந்தனர். ஒரு தனிப்பட்ட ஆய்வும் அதற்கு உயர் Tc-ஐக் கணித்திருந்தது. இங்கே அவர்கள் அதை ஆழமாக — முழுவதும் கணக்கீட்டால் — ஆராய்ந்தனர்:

• ஒவ்வொரு அழுத்தத்திலும் மிகச் சாதகமான படிக அமைப்புகளைக் கண்டறிய ஒரு பரிணாம அல்காரிதம்;
• எலக்ட்ரான்கள், அணு அதிர்வுகள், அவற்றின் பிணைப்பு ஆகியவற்றின் குவாண்டம் இயக்கவியல் கணக்கீடுகள்; ஒரு நிலையான சூத்திரத்தின் வழியாக இவை Tc-ஐத் தருகின்றன;
• அணுக்கள் அசையும்போது கட்டமைப்புகள் சிதையாமல் இருக்கின்றனவா என்று சரிபார்க்க, 300 கெல்வினில் மூலக்கூறு இயக்கவியல்.

எந்த மாதிரியும் தொகுக்கப்படவோ அளக்கப்படவோ இல்லை.

இரண்டு படிகங்கள், இரண்டு நடத்தைகள்

கணக்கீடுகள் நெரிசலான ஒரு நிலப்பரப்பை வெளிப்படுத்துகின்றன: 50 கிகாபாஸ்கலில் 15 வெவ்வேறு கட்டமைப்புகள் நிலையானவை; அவற்றில் பெரும்பாலானவை இரண்டு முதன்மை வடிவங்களின் நெருங்கிய உறவினர்கள். இரண்டிலும், ஹைட்ரஜன் சற்றே நீட்டப்பட்ட இணைகளாக அமர்ந்திருக்கிறது.

• கனசதுர வடிவம் 50 கிகாபாஸ்கலில் 230 கெல்வின் வரை — அரை மெகாபாரில் சுமார் −43 °C — மீக்கடத்தும் என்றும், 200 கிகாபாஸ்கலில் இன்னும் 215 கெல்வின் என்றும் கணிக்கப்படுகிறது.
• சாய்சதுரத்திண்ம (rhombohedral) வடிவம் 10 கிகாபாஸ்கல் வரை நிலையாக இருக்கிறது; அங்கே அதன் கணிக்கப்பட்ட Tc 34 கெல்வின். அதை நெருக்கினால் Tc வேகமாக ஏறுகிறது: 50 கிகாபாஸ்கலில் 99 கெல்வின், 90-இல் 157, ஒரு கிகாபாஸ்கலுக்குச் சுமார் 1.6 கெல்வின்.

ஆசிரியர்கள் வெளிப்படையாகக் கூறும் ஒரு சிக்கல் உள்ளது. 50 கிகாபாஸ்கலில், 230 கெல்வின் கனசதுர வடிவம் மிக நிலையான அமைப்பு அல்ல: எளிய சோடியம் ஹைட்ரைடாகவும் ஹைட்ரஜனாகவும் சிதைவதற்குத் தேவையான ஆற்றலைவிடச் சற்று மேலே உள்ளது. 60 கிகாபாஸ்கலுக்கு மேல்தான் அந்தச் சிதைவுக்கு எதிராக நிலையாகிறது; இரண்டு வடிவங்களும் 114 கிகாபாஸ்கல் அருகே இடம் மாறுகின்றன. 300 கெல்வினில் மூலக்கூறு இயக்கவியலில் கனசதுர வடிவம் சிதையாமல் இருக்கிறது — ஒரு விநாடியின் சில டிரில்லியனில் ஒரு பங்கு நேரத்துக்கு.

உதவும் இணை ஹைட்ரஜன்

மிக அசாதாரணமான கண்டுபிடிப்பு அதன் செயல்முறை. இணைகள் மீக்கடத்துதிறனைத் தடுப்பதில்லை. எலக்ட்ரான்களுடன் வலுவாகப் பிணையும் ஒவ்வொரு அதிர்வும், ஒரு பொதுவான ஆய்வக நுட்பமான ராமன் நிறமாலையியலில் (Raman spectroscopy) தெரியக்கூடியதே; மற்றவை அரிதாகவே பிணைகின்றன. 200 கிகாபாஸ்கலில் வேறு 102 ஹைட்ரைடுகளைச் சோதித்தபோது, ஆசிரியர்கள் அதே போக்கைக் கண்டனர்: ராமன்-செயல்படும் அதிர்வுகள் சராசரியாக மற்றவற்றைவிடச் சுமார் 40 மடங்கு வலுவாகப் பிணைகின்றன.

சாய்சதுரத்திண்ம வடிவத்தில், அழுத்தம் ஹைட்ரஜன் இணைகளைச் சாய்க்கிறது — 10 கிகாபாஸ்கலில் 4 டிகிரியிலிருந்து 90-இல் 21 டிகிரி வரை. அவை சாயச் சாய, முக்கிய அதிர்வுகள் வலுவாகப் பிணைகின்றன — உயரும் Tc-உடன் அடிக்கு அடி, மின்னணுக் கட்டமைப்பு ஏறக்குறைய மாறாமலேயே. ஓர் எளிய வடிவியல் மாதிரி இந்தப் போக்குக்குப் பொருந்துகிறது; ஆனால் இது ஒரு விளக்கம், நிரூபணம் அல்ல என்று ஆசிரியர்கள் வலியுறுத்துகின்றனர்.

திரையிலிருந்து ஆய்வகத்துக்கு

இவை கணிப்புகள். கணக்கிடப்பட்ட வெப்பநிலைகள் ஒரு நிலையான, ஆனால் சரிசெய்யக்கூடிய அளவுருவைச் சார்ந்துள்ளன; 50 கிகாபாஸ்கல் இன்னும் சுமார் அரை மில்லியன் வளிமண்டல அழுத்தம். உறுதிசெய்யப்பட்டால், ஹைட்ரஜன் இணைகளின் திசையமைவு ஹைட்ரைடு மீக்கடத்திகளை வடிவமைக்கும் ஒரு புதிய சீராக்கி என்பதை NaH6 காட்டும். அடுத்த சொல் சோதனையாளர்களுடையது.