సోడియం, హైడ్రోజన్: కాగితంపై ఒక అతివాహకం

అతివాహకం (superconductor) ఒక క్రాంతిక ఉష్ణోగ్రత Tc కంటే కింద, ఏ మాత్రం నిరోధం లేకుండా విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని తీసుకెళ్తుంది. హైడ్రోజన్ అధికంగా ఉన్న పదార్థాలకు రికార్డు సంఖ్యలు అద్భుతమైనవి: H₃S, LaH₁₀ లు 200 కెల్విన్ పైన అతివాహకాలుగా మారతాయి. కానీ అవి సుమారు ఒక మెగాబార్ వద్ద, అంటే వాతావరణ పీడనానికి దాదాపు పది లక్షల రెట్లు నొక్కినప్పుడు మాత్రమే అలా చేస్తాయి. తక్కువ పీడనం వద్ద అదే పనితీరును సాధించడమే సవాలు.

హైడ్రోజన్ తేలికైనది కాబట్టి సహాయపడుతుంది: దాని పరమాణువులు చాలా అధిక పౌనఃపున్యాలతో కంపిస్తాయి, ఈ కంపనాలు ఎలక్ట్రాన్లను అతిప్రవాహాన్ని తీసుకెళ్లే జంటలుగా బంధించగలవు. అనేక ఉత్తమ హైడ్రైడ్లలో హైడ్రోజన్ ఇక H₂ అణువులను ఏర్పరచదు. హైడ్రోజన్ జంటలుగానే ఉండే సమ్మేళనాలను చాలా కాలంగా బలహీనమైన అభ్యర్థులుగా భావించారు, ఎందుకంటే ప్రతి జంటలోని బలమైన బంధం దాని ఎలక్ట్రాన్లను ఆట నుంచి బయటికి లాగేస్తుంది.

వెతుకులాటలో దొరికిన సమ్మేళనం

టెన్నెసీ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన టియాన్‌రాన్ చెన్, NIST సెంటర్ ఫర్ న్యూట్రాన్ రీసెర్చ్‌కు చెందిన టానెర్ యిల్దిరిమ్ 1,00,000 కంటే ఎక్కువ హైడ్రోజన్ అధిక నిర్మాణాలపై చేసిన కంప్యూటర్ వెతుకులాటలో సోడియం హెక్సాహైడ్రైడ్, NaH6, ను ఇప్పటికే గుర్తించారు. ఒక స్వతంత్ర అధ్యయనం కూడా దానికి అధిక Tc ను అంచనా వేసింది. ఇక్కడ వారు దాన్ని లోతుగా పరిశీలించారు — పూర్తిగా లెక్కల ద్వారా:

• ప్రతి పీడనం వద్ద అత్యంత అనుకూలమైన స్ఫటిక అమరికలను కనుగొనడానికి ఒక పరిణామ అల్గారిథమ్;
• ఎలక్ట్రాన్లు, పరమాణు కంపనాలు, వాటి మధ్య సంయోగం యొక్క క్వాంటం యాంత్రిక లెక్కలు, ఇవి ఒక ప్రామాణిక సూత్రం ద్వారా Tc ను ఇస్తాయి;
• పరమాణువులు కదులుతున్నప్పుడు నిర్మాణాలు నిలిచి ఉంటాయో లేదో తనిఖీ చేయడానికి 300 కెల్విన్ వద్ద అణు గతిశాస్త్రం (molecular dynamics).

ఏ నమూనానూ సంశ్లేషణ చేయలేదు, కొలవలేదు.

రెండు స్ఫటికాలు, రెండు ప్రవర్తనలు

లెక్కలు ఒక రద్దీగా ఉన్న చిత్రాన్ని బయటపెడతాయి: 50 గిగాపాస్కల్ వద్ద 15 వేర్వేరు నిర్మాణాలు స్థిరంగా ఉన్నాయి, వాటిలో ఎక్కువ భాగం రెండు ప్రధాన రూపాలకు దగ్గరి బంధువులు. రెండు రూపాల్లోనూ హైడ్రోజన్ కొద్దిగా సాగిన జంటల్లో ఉంటుంది.

• ఘనాకార రూపం 50 గిగాపాస్కల్ వద్ద 230 కెల్విన్ వరకు అతివాహకంగా ఉంటుందని అంచనా — అర మెగాబార్ వద్ద సుమారు −43 °C — 200 గిగాపాస్కల్ వద్ద కూడా 215 కెల్విన్.
• రాంబోహెడ్రల్ రూపం 10 గిగాపాస్కల్ వరకు స్థిరంగా ఉంటుంది, అక్కడ దాని అంచనా Tc 34 కెల్విన్. దాన్ని నొక్కితే Tc వేగంగా పెరుగుతుంది: 50 గిగాపాస్కల్ వద్ద 99 కెల్విన్, 90 వద్ద 157, గిగాపాస్కల్‌కు సుమారు 1.6 కెల్విన్.

రచయితలు స్పష్టంగా చెప్పే ఒక చిక్కు ఉంది. 50 గిగాపాస్కల్ వద్ద, 230 కెల్విన్ ఘనాకార రూపం అత్యంత స్థిరమైన అమరిక కాదు: సరళమైన సోడియం హైడ్రైడ్, హైడ్రోజన్‌గా విడిపోవడానికి అవసరమైన శక్తి కంటే అది కొద్దిగా పైన ఉంది. ఆ విచ్ఛిన్నానికి వ్యతిరేకంగా అది 60 గిగాపాస్కల్ పైనే స్థిరంగా మారుతుంది, రెండు రూపాలు సుమారు 114 గిగాపాస్కల్ వద్ద స్థానాలు మార్చుకుంటాయి. 300 కెల్విన్ వద్ద అణు గతిశాస్త్రంలో ఘనాకార రూపం చెక్కుచెదరకుండా ఉంటుంది — సెకనులో కొన్ని లక్ష కోట్ల వంతుల కాలం పాటు.

సహాయపడే జంట హైడ్రోజన్

అత్యంత అసాధారణమైన ఆవిష్కరణ దాని యంత్రాంగం. జంటలు అతివాహకత్వాన్ని అడ్డుకోవు. ఎలక్ట్రాన్లతో బలంగా సంయోగం చెందే ప్రతి కంపనం, ప్రయోగశాలలో సాధారణంగా వాడే రామన్ వర్ణపటమితి (Raman spectroscopy)లో కనిపించేదే; మిగతావి దాదాపుగా సంయోగం చెందవు. 200 గిగాపాస్కల్ వద్ద మరో 102 హైడ్రైడ్లను పరిశీలించినప్పుడు, రచయితలు అదే నమూనాను కనుగొన్నారు: రామన్-చురుకైన కంపనాలు మిగతా వాటి కంటే సగటున సుమారు 40 రెట్లు బలంగా సంయోగం చెందుతాయి.

రాంబోహెడ్రల్ రూపంలో, పీడనం హైడ్రోజన్ జంటలను వంచుతుంది, 10 గిగాపాస్కల్ వద్ద 4 డిగ్రీల నుంచి 90 వద్ద 21 డిగ్రీలకు. అవి వంగుతున్న కొద్దీ, కీలక కంపనాలు బలంగా సంయోగం చెందుతాయి — పెరుగుతున్న Tc తో సమానంగా, అదే సమయంలో ఎలక్ట్రానిక్ నిర్మాణం దాదాపుగా మారదు. ఒక సరళమైన జ్యామితీయ నమూనా ఈ ధోరణికి సరిపోతుంది, అయితే ఇది ఒక వ్యాఖ్యానం మాత్రమే, రుజువు కాదని రచయితలు నొక్కి చెబుతారు.

తెర నుంచి ప్రయోగశాలకు

ఇవి అంచనాలు. లెక్కించిన ఉష్ణోగ్రతలు ఒక ప్రామాణికమైన కానీ సర్దుబాటు చేయగల పరామితిపై ఆధారపడి ఉంటాయి, 50 గిగాపాస్కల్ అంటే ఇప్పటికీ సుమారు ఐదు లక్షల వాతావరణాలు. నిర్ధారణ అయితే, హైడ్రోజన్ జంటల దిశ హైడ్రైడ్ అతివాహకాలను రూపొందించడానికి ఒక కొత్త నియంత్రణ మీట అని NaH6 చూపిస్తుంది. తదుపరి మాట ప్రయోగకర్తలదే.