SODYUM VE HİDROJEN: KÂĞIT ÜZERİNDE BİR SÜPERİLETKEN

Bir süperiletken, kritik sıcaklık denen Tc’nin altında elektrik akımını hiç direnç göstermeden taşır. Hidrojence zengin malzemelerde rekor değerler muhteşemdir: H₃S ve LaH₁₀, 200 kelvinin üzerinde süperiletkendir. Ama bunu yalnızca yaklaşık bir megabarda, kabaca atmosfer basıncının bir milyon katında sıkıştırıldıklarında yaparlar. Zorluk, aynı performansı daha düşük basınçta elde etmektir.

Hidrojen hafif olduğu için yardımcı olur: atomları çok yüksek frekanslarda titreşir ve bu titreşimler elektronları süperakımı taşıyan çiftlere bağlayabilir. En iyi hidrürlerin çoğunda hidrojen artık H₂ molekülleri oluşturmaz. Hidrojenin çiftler hâlinde kaldığı bileşikler uzun süre zayıf aday sayıldı, çünkü her çiftin içindeki güçlü bağ elektronlarını oyunun dışına çeker.

Taramayla bulunan bir bileşik

Tennessee Üniversitesi’nden Tianran Chen ve NIST Nötron Araştırma Merkezi’nden Taner Yıldırım, 100.000’den fazla hidrojence zengin yapının bilgisayarla taranmasında sodyum hekzahidrürü, NaH6’yı zaten işaretlemişti. Bağımsız bir çalışma da onun için yüksek bir Tc öngörmüştü. Burada onu derinlemesine, tamamen hesaplamayla incelediler:

her basınçta en uygun kristal dizilimlerini bulmak için evrimsel bir algoritma;
elektronların, atom titreşimlerinin ve aralarındaki bağlaşımın kuantum mekaniksel hesapları; bunlar standart bir formül aracılığıyla Tc’yi veriyor;
atomlar titreşirken yapıların bir arada durduğunu kontrol etmek için 300 kelvinde moleküler dinamik.

Hiçbir numune sentezlenmedi ya da ölçülmedi.

İki kristal, iki davranış

Hesaplar kalabalık bir manzara ortaya koyuyor: 50 gigapaskalda 15 farklı yapı kararlı ve çoğu iki ana formun yakın akrabası. İkisinde de hidrojen hafifçe gerilmiş çiftler hâlinde bulunuyor.

Kübik formun 50 gigapaskalda 230 kelvine kadar, yani yarım megabarda yaklaşık −43 °C’ye kadar süperiletken olacağı ve 200 gigapaskalda hâlâ 215 kelvinde kalacağı öngörülüyor.
Romboedral form 10 gigapaskala kadar kararlı kalıyor; orada öngörülen Tc 34 kelvin. Sıkıştırıldıkça Tc hızla tırmanıyor: 50 gigapaskalda 99 kelvin, 90’da 157, gigapaskal başına yaklaşık 1,6 kelvin.

Yazarların açıkça belirttiği bir pürüz var. 50 gigapaskalda 230 kelvinlik kübik form en kararlı dizilim değil: daha basit sodyum hidrüre ve hidrojene ayrışmak için gereken enerjinin biraz üzerinde duruyor. Bu ayrışmaya karşı ancak 60 gigapaskalın üzerinde kararlı hâle geliyor ve iki form 114 gigapaskal civarında yer değiştiriyor. 300 kelvindeki moleküler dinamikte kübik form bozulmadan kalıyor; birkaç trilyonda bir saniye boyunca.

Yardım eden hidrojen çiftleri

En sıra dışı bulgu mekanizma. Çiftler süperiletkenliği engellemiyor. Elektronlarla güçlü biçimde bağlaşan her titreşim, yaygın bir laboratuvar tekniği olan Raman spektroskopisinde görünecek bir titreşim; diğerleri neredeyse hiç bağlaşmıyor. Yazarlar 200 gigapaskalda 102 başka hidrürü inceleyince aynı örüntüyü buldu: Raman-aktif titreşimler ortalamada diğerlerinden yaklaşık 40 kat daha güçlü bağlaşıyor.

Romboedral formda basınç hidrojen çiftlerini eğiyor: 10 gigapaskalda 4 dereceden 90’da 21 dereceye. Eğildikçe kilit titreşimler daha güçlü bağlaşıyor; elektronik yapı neredeyse hiç değişmezken yükselen Tc ile adım adım. Basit bir geometrik model bu eğilime uyuyor, ama yazarlar bunun bir kanıt değil bir yorum olduğunu vurguluyor.

Ekrandan laboratuvara

Bunlar öngörüler. Hesaplanan sıcaklıklar standart ama ayarlanabilir bir parametreye bağlı ve 50 gigapaskal hâlâ yaklaşık yarım milyon atmosfer. Doğrulanırsa NaH6, hidrojen çiftlerinin yöneliminin hidrür süperiletkenleri tasarlamak için yeni bir ayar düğmesi olduğunu gösterecek. Sıradaki söz deneycilerin.